Теоретическая часть

Прежде чем приступить к лабораторным исследованиям проработайте лекционный материал, а затем прочитайте в учебнике [1] (В.И.Лачин, Н.С.Савёлов Электроника раздел 2.1. Классификации, основные параметры и характеристики усилителя) или в учебнике [2] (О.В. Миловзоров, И.Г. Панков Электроника §2.1. Усилители). Непонятные места, а также вопросы, вызывающие сомнения, запишите в лабораторную тетрадь, обсудите с товарищами и преподавателем.

Усилителем электрических сигналов называется устройство, у которого мощность электрических сигналов на выходе больше чем на входе.

На структурных схемах усилитель изображают в виде прямоугольника, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение усилителя на структурных схемах

Основными параметрами, определяющими работу усилителя, являются три коэффициента:

- коэффициент усиления по напряжению – Кu,

- коэффициент усиления по току – КI

- коэффициент усиления по мощности – КP:

, , ,

а также входное R_ВХ­ и выходное R_ВЫХ сопротивления.

При использовании биполярных транзисторов различают:

- усилитель с общим эмиттером (ОЭ),

- усилитель с общей базой (ОБ),

- усилитель с общим коллектором (ОК).

На рисунке 2 представлена структурная схема усилителя в виде схемы замещения, на которой внутренний источник напряжения Е_вых = К·U_вх получает энергию от источника питания. R_вх - входное сопротивление усилителя, а R_вых - выходное сопротивление усилителя.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема каскада с общим эмиттером

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.

Обычно усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема с общим эмиттером, представляющая каскад с RC связями приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема каскада с общим эмиттером

Эмиттер транзистора соединен с общей точкой усилителя. Источник питания E_К через делитель R1-R2 подает на базу биполярного транзистора VT n-p-n типа напряжение смещения 0,5…0,8В. Входным является ток базы I_б, который управляет током коллектора по формуле I_к = h_Э21·I_б. Параметр h_Э21 называется коэффициентом передачи по току в схеме с общим эмиттером. При этом на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение U_кэ = E_К - I_к·R_к, которое, далее, через разделительный конденсатор C_р2 передается на нагрузочное сопротивление R_н. Резистор Rк ограничивает ток коллектора.

Резисторы R1, R2 обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (начальное положение рабочей точки). Правильный выбор этой точки влияет на коэффициент нелинейных искажений и на коэффициент полезного действия. Это поясняют графики входной характеристики биполярного транзистора и семейства выходных характеристик, показанные на рисунке 4.

Входная характеристика транзистора (на рисунке 4 слева) показывает зависимость тока базы I_Б от входного напряжения U_БЭ между базой и эмиттером. Базовый p-n переход у кремниевого транзистора начинает открываться при напряжении примерно 0,6 вольта, поэтому при меньшем напряжении транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки. При напряжении большем 0,6 вольта входная характеристика нелинейная. Это означает, что равномерное увеличение напряжения между базой и эмиттером U_БЭ приводит к неравномерному увеличению тока базы, поскольку ток коллектора пропорционален току базы, то и ток коллектора увеличивается неравномерно. Это явление и объясняет появление нелинейных искажений усилителя на биполярном транзисторе.

Рисунок 4 - Вольт-амперные характеристики усилительного каскада

Нелинейные искажения приводят к появлению в усиленном сигнале гармоник высшего порядка, которые оцениваются коэффициентом нелинейных искажений. Наибольшая нелинейность входной характеристики имеет место в районе 0,6 вольта, поэтому работа транзистора в этой области крайне нежелательна. Работа при напряжениях U_БЭ > 0,8 уменьшает нелинейные искажения, но приводит к увеличению тока коллектора, что ведет к увеличению нагрева транзистора и ухудшает коэффициент полезного действия.

Начальное положение рабочей точки на выходной характеристике обозначено буквой р, на входной характеристике буквой - р’. Для этого подбирают такое значение резистора R2, чтобы напряжение на коллекторе при отсутствии входного сигнала удовлетворяло формуле

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 отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние Rэ на коэффициент усиления по переменной составляющей.

Кроме нелинейных искажений появляются линейные искажения. Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты f. Из-за этого отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается.

Линейные искажения усилителей оцениваются с помощью амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной (ФЧХ) и переходной характеристик. Под АЧХ усилителя понимается зависимость К_U= f (f). Пример АЧХ представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика (АХ) усилителя представлена на рисунке 6 и снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания. Для усилителей низкой частоты обычно f = 1000Гц

Начальный нелинейный участок обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на входе усилителя при отсутствии входного сигнала.

При больших напряжениях Uвх сказывается нелинейность ВАХ активных элементов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.

Количественно мера нелинейности γ оценивается как отношение отклонения АХ от линейной характеристики

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений (в пределах 1 децибелла). В этом случае коэффициент усиления К не зависит от амплитуды и может быть определен, как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс.

Рисунок 6 - Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усилителя оценивается как отношение максимального и минимального напряжения выходных сигналов, выраженное в децибелах. Минимальный сигнал определяется уровнем собственных шумов усилителя, а максимальный — нелинейными искажениями. В этом случае динамический диапазон определяют по формуле

,

где U _мах – максимальное напряжение на выходе усилителя в линейной области амплитудной характеристики,

U _шум – напряжение сигнала на выходе усилителя при отсутствии полезного сигнала на входе.

Дата добавления: 2015-07-08