Общие сведения об электронных усилителях

Лабораторная работа № 2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Цель работы: углубить и закрепить полученные знания по принципу действия, устройству и характеристикам электрон­ных усилителей переменного тока.

 

Общие сведения об электронных усилителях

Усилителями называют устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов. Непосредственно усиление сигналов осуществляется усилительными элемента­ми за счет электроэнергии, потребляемой от источников пита­ния.

Свойства усилителей характеризуют рядом эксплуатацион­ных и качественных показателей. К эксплуатационным пока­зателям относят коэффициенты усиления, чувствительность, мощность на выходе и коэффициент полезного действия. Качественными показателями работы усилителя являются диапазон усиливаемых частот, вносимые усилителем искажения, уровень помех и т.д.

Коэффициент усиления по напряжению, току или мощности показывает, во сколько раз напряжение, ток или мощность на выходе усилителя больше, чем его зна­чения на входе. Коэффициент усиления определяется как отно­шение напряжения, тока или мощности на выходе усилителя к его одноимённому значению на входе:

(1)

Основной задачей усилителя является усиление электрического сигнала (по току, напряжению или мощности), соз­даваемого датчиком сигнала, до величины, необходимой для приведения в действие какого-либо устройства (нагрузки), например, реле, элементов индикации, акустических излучателей, электроприводов и т.д. Прос­тейший усилитель, в котором используется усилительный элемент, в большинстве случаев не может обеспечить требуемого усиления. Поэтому современные усилители содержат несколько усилительных приборов, каждый из которых в сочетании с различными пассивными элементами образует каскад усиления. На рис. 1 показан многокаскадный усилитель, состоящий из каскадов предварительного усиления и выходного (оконечного) каскада.

 

 

В каскадах предварительного усиления от каскада к каскаду происходит повышение уровня сигнала до величины, при которой выходной каскад создает в нагрузке заданную выход­ную мощность. В многокаскадных усилителях выходкой сигнал предыдущего каскада является входным для последующего.

Существует три основных способа связи между каскадами в многокаскадном усилителе: связь через разделительные конденсаторы, или RС -связь, непосредственная или галь­ваническая связь и связь с помощью трансформаторов (тран­сформаторная связь). Наибольшее распространение в схемах усилителей переменного тока получила R С–связь.

Если усилительное устройство состоит из нескольких последовательно включённых каскадов, то его общий коэффи­циент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К₁ × К₂ × К₃ × … × К _n (2)

где n – число каскадов.

Выходная мощность усилителя зависит от напряжения на его входе. Номинальное входное напряжение U _ВХ, при кото­ром усилитель отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называют чувствительностью усилителя.

Номинальная выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, Р _Н при синусоидальной форме выходного напря­жения и тока равна

Р _ВЫХ = I _ВЫХ × U _ВЫХ = I ²_ВЫХ × R _Н = U ²_ВЫХ / R _Н, (3)

где U _ВЫХ, I _ВЫХ – действующие значения напряжения и тока на резисторе нагрузки R _Н.

Работа усилителя описывается двумя характеристиками: амплитудной и частотной (её часто называют амплитудно-частотной), приведенными на рис. 2.

Амплитудная характеристика усилите­ля представляет собой зависимость выходного напряжения от входного U _ВЫХ = f (U _ВХ) при f _ВХ=const (рис. 2, а). Иногда определяют амплитудную характеристику как зависимость коэффициента усиления по напряжению от входного сиг­нала постоянной частоты K _U = f (U _ВХ). Обе эти зависимости приведены на рис.2, а.

 

 

Отклонение реальной амплитудной характеристики от иде­альной прямой (см. пунктирные линии на рис. 2, а) в области малых входных сигналов (левее точки а) происходит за счет напряжения собственных шумов U _Шв выходной цепи усилителя. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения ис­точника питания, а также напряжением нестационарных процес­сов, определяемых структурой активных и пассивных элемен­тов схемы.

При слишком больших значениях входного сигнала (правее точки б) амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительных элементов. Это значит, что усилительный элемент работает на нелинейных участках своих характеристик, что обусловливает ограничение амплитуды выход­ного сигнала и искажение его формы.

Отношение максимального к минимальному значению вход­ных напряжений, усиливаемых усилителем без искажений, характеризует динамический диапазон усилителя.

(4)

Динамический диапазон можно определить по амплитудной характеристи­ке усилителя. В пределах динамического диапазона коэффици­ент усиления практически не изменяется (см. затененную область на рис. 2, а).

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала U _{ВХ МАКС} – U _{ВХ МИН} амплитудная характеристика имеет форму практически прямой линии (участок а - б), что свидетельствует о линейной зависимости U _ВЫХ = f (U _ВХ), а угол ее наклона a определяется значением коэффициента усиления усилителя на данной частоте (tg a = D U _ВЫХ / D U _ВХ).

Частотная характеристика усилителя представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемых колебаний K _U = f (F) при U _ВХ= const. Графическое изображение частот­ной характеристики усилителя с RС–связью показано на рис. 2, б. Как видно из графика, коэффициент уси­ления не остается постоянным на разных частотах, а имеет явно выраженный “завал” (снижение) на низких и высоких частотах. Это свойство усилителя обуславливает частотные искажения – отклонение формы выходного сигнала от входного с изменением его частоты.

В области средних частот коэффициент усиления практически не зависит от частоты. Снижение коэффициента усиления на низких и высоких частотах связано с влиянием на сигнал реактивных элементов, входящих в состав усилителя и объясняется следующим.

С переходом в область низких частот заметно увеличивается падение напряжения на разделительных конденсаторах межкаскадной связи (см. конденсатор С _Р1-2 на рис. ниже). Это вызвано тем, что с уменьшением частоты емкостное сопротивление конденсатора увеличивается, как видно из формулы:

(5)

где Х _С– емкостное сопротивление конденсатора;

f – частота входного сигнала;

С – емкость разделительного конденсатора.

Следовательно, на входном сопротивлении R _{ВХ 2} следующего каскада (см. рис. справа), составляющем с конденсатором связи делитель напряжения, создастся меньшее входное напряжение (вспомнить принцип действия делителя напряжения), что, естественно, приведет к уменьшению U _ВЫХ каскада и коэффициента усиления.

Действительно, из свойств расмотренного делителя напряжения,

(6)

 

откуда видно, что с ростом X _СР (при снижении частоты f входного сиг-

налав формуле 5) напряжение U _ВХ2 уменьшается, а значит уменьшается и общий выходной сигнал усилителя.

В области верхних частот на работу усилителя, а сле­довательно и на коэффициент усиления, существенно влияют междуэлектродные ёмкости транзисторов и других элементов схемы. Для уяснения этого явления рассмотрим обобщённую схему выходной цепи транзисторного усилителя, приведённую на рис. 3, на которой показаны основные междуэлектродные ёмкости транзистора и входная ёмкость следующего каскада С_ВХ2.

 

 

Межэлектродные ёмкости представляют собой ёмкости p-n переходов, в которых запирающий слой играет роль диэлектрика, а примыкающие к нему ионные слои являются обкладками конденсаторов. Из рисунка видно, что выходная ёмкость C _КЭ определяется суммой ёмкостей коллекторного C _КБ и базового C _БЭ p-n переходов. Из правила последовательного соединения емкостей известно, что эквивалентная им ёмкость определяется выражением

(7)

и будет меньше наименьшей из них. Поскольку коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, ширина запирающего слоя велика и, следовательно, ёмкость С_КБ очень мала (для НЧ транзисторов она порядка 20¸60 пФ).

Напомним, что ёмкость плоского конденсатора может быть найдена по формуле: С = e× S / h, где e – диэлектрическая постоянная, S – площадь обкладок (p-n перехода), h –толщина диэлектрика (ширина запирающего слоя).

Следовательно, ещё меньше будет выходная ёмкость С_КЭ, емкостное сопротивление которой в соответствии с формулой (5) на низких и средних частотах огромно и не влияет на работу транзисторного каскада усиления.

Из рис. 16 также видно, что переменная составляющая сигнала с коллектора транзистора поступает на следующий каскад через разделительный конденсатор С _Р1-2 и выделяется на входном сопротивлении каскада R _ВХ2. Поскольку ёмкость разделительного конденсатора С _Р1-2 обычно велика и составляет десятки микрофарад, его емкостное сопротивление (в соответствии с формулой 5) на высокой частоте ничтожно и им в рассуждениях можно пренебречь. В то же время параллельно входному сопротивлению каскада R _ВХ2 на частоте сигнала оказываются подключёнными ёмкости С _КЭ транзистора и входная ёмкость следующего каскада С _ВХ2, общая ёмкость которых равна сумме их емкостей. “Невидимые” на низких и средних частотах из-за своей малости, на высокой частоте они начинают шунтировать (уменьшать, см. формулу 5) сопротивление R _ВХ2, являющееся нижним плечом делителя напряжения R _K – R _ВХ2. Следствием этого является снижение напряжения U _ВХ2 и, соответственно, общего коэффициента усиления, о чём свидетельствует “завал” частотной характеристики в области высоких частот.

Непостоянство коэффициента усиления по частоте приводит к частотным искажениям, которые оцениваются коэф­фициентом частотных искажений. Коэффициент частотных иска­жений М равен отношению коэффициента усиления на средней частоте К _СР, к коэффициенту усиления на данной частоте К_f

(8)

Диапазон рабочих частот усилителя, или полоса пропускания, равная D f = f _В – f _Н (см. рис. 2, б), оценивается областью час­тот, в пределах которой частотные искажения не превышают заданной величины. Обычно полоса пропускания лежит между верхней f _В и нижней f _Н граничными частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается до 0,7 от его значения на средних частотах (или от максимального значения). В усилительной технике широко применяется логарифмический масштаб, в котором уменьшение коэффициента усиления от значения К _МАКС в пределах полосы пропускания усилителя не превышает 3 децибел:

D К _U(ДБ) = 20 lg K _max / 0,7 K _max = 20 lg 1,43» 3 дб, ( 9 )

Для этих частот коэффициенты частотных искажений равны

( 10 )

где К _Н, К _В – коэффициенты усиления соответственно на ниж­них

и верхних частотах.

Из определения коэффициента частотных искажений сле­дует, что если М > 1, то частотная характеристика в облас­ти данной частоты имеет завал, а если М < 1, то – подъем.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов

М = М₁ × М₂ × М₃× … × М _n (11)

Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного.

Свойства усилителя существенно изменяются при введении отрицательной обратной связи (ООС), что находит отражение и во внешнем виде обеих рассмотренных характеристик.

Основным действием ООС, на котором базируются все её проявления, является снижение коэффициента усиления усилителя. Напомним вкратце суть действия ОС.

Упрощенная структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного цепью обратной связи с коэффициентом передачи b = U _ОС/ U _ВЫХ (не путать с коэффициентом усиления по току b для транзистора в схеме с общим эмиттером) приведена на рис. 4.

Если сигнал обратной связи U _ОС, поступающий с выхода усилителя на его вход, противодействует входному сигналу U _ВХ (т.е. их действия находятся в противофазе), то такая ОС называется отрицательной [3]. Коэффициент усиления (по напряжению) усилителя, охваченного ООС, определяется выражением:

, (12)

из которого видно, что коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью К ^ООС, в 1/(1+ bК) меньше коэффициента усиления самого усилителя К.

Используя в своих рассуждениях выражение (12), мы сможем обнаружить влияние ООС на характеристики усилителя.

Так, при построении амплитудной характеристики усилителя с ООС, каждому значению U _ВХ будет соответствовать напряжение U _ВЫХ меньшее, чем при отсутствии ООС. Следовательно, экспериментальные точки и сама кривая пройдут ниже характеристики ЭУ без ООС (на рис. 2, а не показано), а динамический диапазон усилителя (см. формулу 4) расширится.

Изменения частотной характеристики при введении ООС обусловлены следующим.

В сред­ней области частот, где выходное напряжение является наи­большим, напряжение обратной связи, определяемое выражением U _OC =b × U _ВЫХ (см. рис.2), оказывается также наибольшим. Это приводит к значительному спаду усиления и результирующего выходного напряжения на средних частотах. В об­ласти нижних и верхних частот действие ООС сказывается сла­бее вследствие меньшего значения выходного напряжения и соответственно меньшей величины U _OC. Поэтому влияние отрицательной обратной связи на средних частотах сказывается сильнее, чем на крайних частотах. Вследствие этого частотная характеристика усилителя с ООС (см. рис. 2, б) рас­полагается ниже кривой ЧХ без ООС и становится более прямолинейной (сглаженной). В том случае, когда на частотной характеристике усилителя име­ется локальный подъем, то есть возрастает коэффициент усиления, дей­ствие ООС носит обратный характер и также вызывает спрямле­ние частотной характеристики. Совершенно очевидно, что спрям­ление формы частотной характеристики усилителя, вызванное действием ООС, сопровождается расширением полосы пропускания (то есть D f _ООС > D f, где D f _ООС = f _В^ООС – f _Н^ООС) и, следовательно, уменьшением частотный искажений в соответствии с формулой (8).

 

 

Нелинейные искажения проявляются в искажении формы выходного сигнала. Они обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов (транзис­торов, электронных ламп), а также наличием в схеме других нелинейных элементов. ООС также уменьшает и нелинейные ис­кажения.

Для подтверждения этого, допустим, что при входном напряжении U _ВХ усилительный каскад без обратной связи дает на выходе, кроме напряжения такой же формы, как входное, еще напряжение искажений U _И. При охвате каскада отрицательной обратной связью на его вход, кроме напряжения сигнала U _ВХ, будет подаваться с выхода также напряжение искажений U _И. При неизменном значении напря­жения входного сигнала, поступающего на вход каскада, ох­ваченного ООС, уменьшения нелинейных искажений не наблюдается так как обратная связь уменьшает примерно одинаково как по­лезный сигнал, так и напряжение искажений U _И. Однако на­пряжение полезного сигнала на входе можно довести до преж­него уровня увеличением коэффициента усиления предыдущего каскада. Поэтому уровень полезного сигнала на выходе каска­да повысится, а все мешающие напряжения, возникающие толь­ко в каскаде, охваченном ООС, уменьшатся. Это приведет к уменьшению уровня нелинейных искажений. Действительно, при введении ООС на выходе каскада возникает новее напряжение искажений U _И^ООС, равное разности напряжения U _И, вноси­мого усилительным каскадом, и напряжения U _И^ООС прошедшее через цепь ОС усилителя:

U _И^ООС = U _И – bК U _И^ООС (13)

 

Отсюда

 

Таким образом, ООС уменьшает искажения, вносимые уси­лительным каскадом, в (1 + bК) раз.

Коэффициент полезного действия усили­теля характеризует его экономичность и определяется как от­ношение полезной мощности сигнала Р _ВЫХ, отдаваемой уси­лителем нагрузке, к общей мощности Р _О, потребляемой им от источника питания,

(14)