Изучение работы усилителя низкой частоты на транзисторе

Мотивационная характеристика темы. Как основной элемент усилители электрических сигналов входят в схемы разнообразных медицинских электронных приборов и аппаратов. Их применяют для усиления биопотенциалов, в приемно-передающих устройствах телеметрических систем, регистрирующих медико-биологическую информацию, и во многих других электронных устройствах, используемых в медицине.

Цель работы: Изучить работу транзисторного усилителя низкой частоты и измерить основные его параметры.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.Входная и выходная характеристики транзистора. 2.Схема и принципы работы усилителей на лампе и на транзисторе. 3.Нелинейные искажения, способы предупреждения. 4.Частотная характеристика, полоса пропускания. 5.Линейные искажения, способы предупреждения.	1.Определять цену деления шкалы осциллографа для измерений напряжений и токов. 2.Выбрать условия для наименьшего проявления нелинейных и линейных искажений. 3.Определять основные параметры усилителя (коэффициент усиления, полосу пропускания).

Литература:

1.Реамизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.М., ВШ,Гл. 22, 1999.

2.Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., ВШ., №31, 1987.

Информационный блок

В настоящее время существует большое разнообразие электронных усилителей различного назначения, которые применяются в контрольно-измерительных приборах, в управляющих системах, в электронных вычислительных машинах и в самой разнообразной медицинской аппаратуре.

Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов без изменения их формы. Усилители усиливают входной сигнал по напряже­нию, по току или по мощности. Кроме того, усилители отличаются друг от друга частотами усиливаемых сигналов. По частоте усиливаемых сигналов усилители можно разделить на несколько основных типов.

Диапазон рабочих частот усилителей низкой частоты (УНЧ), как правило, лежит в пределах звуковых частот (от 20 Гц до 20 кГц). Иногда эти усилители называют также усилителями звуковой частоты. Используя специальные методы, их диапазон частот можно увеличить до 100 МГц и более. Такие усилители называются широкополосными усилителями или видеоусилителями.

Особое значение для медицины имеют усилители медленно меняющихся сигналов—усилители постоянного тока (УПТ). Их нижняя усиливаемая частота fн ≈ 0. Это позволяет усиливать как переменную, так и постоянную составляющие сигнала. Для получения избирательного усиления, т. е. для усиления сигналов в узкой полосе частот, применяют избирательные (резонансные) усилители. Такие усилители усиливают сигналы некоторой избранной частоты.

На рис.1 показана схема усилительного каскада с общим эмиттером. Изменение силы тока базы приводит к изменению силы коллекторного тока и напряжения на коллекторе, причем изменения коллекторного напряжения значительно превышают изменения входного напряжения. Напряжения на входе и на выходе рассмотренного усилительного каскада сдвинуты по фазе на 180°.

Остановимся на важнейших технических характеристиках усилителей.

Коэффициентом усиления k no напряжению усилителя называется величина, равная отношению выходного напряжения Uвых усилителя к напряжению на его входе Uвх:

k=Uвых/Uвх. (1)

Для усиления сигнала до требуемой величины бывает недостаточно одного каскада усиления. В этом случае применяют многокаскадные усилители. Коэффициент усиления усилителя, состоящего из п последовательно включенных каскадов с коэффициентами усиления k₁, k₂,..., kn, подсчитывают по формуле

k= k₁ ∙ k₂..∙ k_n

Важным параметром усилителя является его входное сопротивление Rвх —сопротивление между его входными клеммами:

Rвх = Uвх/Iвх

Рис.2

Выходное сопротивление Rвых усилителя, если все элементы схемы линейны, определяют при коротком замыкании входных клемм.

Для того, чтобы форма сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. В этом случае зависимость U_max.вых=f(U_max.вх), называемая амплитудной характеристикой усилителя, имеет линейный вид U_max.вых=k(U_max.вх) (Рис.2, прямая линия). На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается (штриховая линия).

Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.

Графически усиление гармонического сигнала иллюстрируется на рис.3 без искажения (а) и с искажением (б).

Каждый из этих рисунков содержит по три графика. На одном (оси Uвх и Uвых) указана амплитудная характеристика: линейная (а) и нелинейная (б). На нижнем графике приведена зависимость входного напряжения от времени. Эта зависимость синусоидальная, но сдвинутая относительно U_ВХ == 0 на некоторую постоянную величину. График расположен необычно, так как используется общая ось U_ВХ с предыдущей зависимостью. На левом графике дана временная зависимость выходного напряжения. Здесь тоже ось U_ВЫХ принадлежит двум графикам. Этот график строится следующим образом. Из нижнего графика находят значения U_вх для некоторых фиксированных моментов времени, затем по амплитудной характеристике устанавливают соответствующие значения Uвых и переносят их на левый график (штриховые линии; точки с одинаковыми символами соответствуют одному и тому же времени).

На графиках зависимости Uвых ⁼f(t) в случае линейной амплитудной характеристики (а) видна синусоида, следовательно, усиленный сигнал не искажен. При нелинейности характеристики (б) выходной сигнал периодический, но не синусоидальный, следовательно, происходит искажение сигнала при усилении.

Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала. Если усиливаемый сигнал несинусоидальный, то он может быть разложен на отдельные гармонические составляющие, каждой из которых соответствует своя частота. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь бы малы они ни были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления.

Рис.4

Таким образом, существенна зависимость k = f(n) или k == f(w), которая получила название частотной характеристики усилителя. Для того чтобы сложный сигнал был усилен без искажения (даже при использовании линейной части амплитудной характеристики), необходима независимость коэффициента усиления от частоты. Частотная характеристика должна иметь вид k = const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим название линейных или частотных.

Частотную характеристику усилителя бычно изображают графически (рис.4). Из этого рисунка видно, что в пределах ω₂ – ω₃ коэффициент усиления примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7k_max практически не искажает сигнала. Диапазон частот ω₁ – ω₄ называют полосой.пропускания усилителя.

---

Дата добавления: 2015-07-12