2020-01-15
108
В электронике усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических сигналов. Увеличение мощности сигнала в усилителях происходит за счет энергии источника питания. С позиции теории электрических цепей усилитель представляет собой управляемый источник (рис.17), выходная мощность которого превышает входную.
Основные параметры усилителя:
· коэффициент усиления по напряжению
; (9.2)
28
· коэффициент усиления по току
; (9.3)
· коэффициент усиления по мощности
; (9.4)
· входное сопротивление
; (9.5)
· выходное сопротивление
|
,
где U ВХ – напряжение на входе усилителя;
U ВЫХ – напряжение на выходе усилителя;
I ВХ – входной ток усилителя;
I ВЫХ – выходной ток усилителя;
P ВХ – входная мощность усилителя;
P ВЫХ – выходная мощность усилителя;
U ВЫХ (R Н = ∞) – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода;
U ВЫХ (R Н) – напряжение на выходе усилителя при заданном сопротивлении нагрузки R Н ≠ ∞;
I ВЫХ (R Н) – выходной ток усилителя при заданном сопротивлении нагрузки R Н ≠ ∞.
В реальных усилителях указанные параметры являются комплексными величинами и зависят от частоты сигнала f.
Характеристики и параметры усилителей могут быть улучшены при введении обратной связи, под которой понимают передачу сигнала с выхода усилителя на его вход.
Если усилитель и канал обратной связи образуют замкнутую петлю только по постоянному току, то имеет место, обратная связь по постоянному току. Если усилители и канал обратной связи образуют замкнутую петлю только по переменному току, то имеет место обратная связь по переменному току.
Обратную связь называют частотнонезависимой, если коэффициент передачи канала обратной связи не зависит от частоты. В противном случае обратную связь называют частотнозависимой.
Обратную связь называют положительной, если сигналы источника и канала обратной связи суммируются, и отрицательной, если сигналы источника и канала обратной связи вычитаются.
29
В зависимости от того, как снимается сигнал обратной связи с выхода усилителя, различают:
· обратную связь по напряжению, когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению усилителя;
· обратную связь по току, когда напряжение обратной связи пропорционально выходному току усилителя;
· смешаннуюобратную связь, когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению и выходному току усилителя.
В усилителях широко применяется отрицательная обратная связь по постоянному току, которая позволяет стабилизировать режим работы (рабочие точки) активных элементов усилителя.
Введение отрицательной обратной связи по переменному току влияет на параметры усилителя следующим образом:
· отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению;
· последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление, независимо от способа снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя;
· отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, а отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, независимо от способа введения сигнала обратной связи во входную цепь усилителя.
Назначение элементов усилительного каскада на переменном токе рисунок 18. Входной сигнал u ВХ подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С 1. Усиленный сигнал u ВЫХ снимается с резистора R К и через разделительный конденсатор С 2 подается в нагрузку R Н. Конденсатор С 1 исключает влияние источника сигнала на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор С 2 исключает влияние нагрузки на режим работы транзистора по постоянному току.
Режим работы транзистора по постоянному току задается делителем напряжения в цепи базы R Б1, R Б2 и сопротивлением в цепи эмиттера R Э.
Резистор R Э служит для стабилизации режима работы транзистора. Стабилизирующее действие резистора R Э объясняется тем, что падение напряжения на нем является напряжением отрицательной обратной связи.
Конденсатор в цепи эмиттера С Э устраняет обратную связь по переменному току, что предотвращает снижение коэффициента усиления. Емкость конденсатора С Э выбирают такой, чтобы его сопротивление в полосе пропускания усилителя было пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением резистора R Э, поэтому переменная составляющая напряжения на сопротивлении R Э в полосе пропускания усилителя будет практически равна нулю.
30
Проведение измерений
5.1 Подготовка к работе
5.1.1 Открыть моделирующую систему EWB. Открыть сохраненную в предыдущей работе схему усилительного каскада. Дополнить ее так, чтобы получилась схема согласно рисунку 18.
Источники напряжения и символ заземления находятся в труппе " Sources ", резисторы и конденсаторы – в группе " Basic ", измерительные приборы – за красной цифрой 8.
Транзистор и резистор R К включить те же, что использовались в предыдущей работе. Остальные параметры элементов схемы выбираются из таблицы 12 согласно номеру варианта.
Транзисторы находятся в библиотеке "Motorol 1" или "National 2".
Табл. 12. Исходные данные усилительного каскада.
| № | Тип транзистора | R Б1 кОм | R Б2 кОм | R Э Ом | C 1 мкФ | C 2 мкФ | C Э мкФ | |||
| 1 | Q2N4400 | 120 | 10 | 20 | 5 | 1 | 260 | |||
| 2 | Q2N2895 | 120 | 11 | 15 | 5 | 2.2 | 320 | |||
| 3 | Q2N2896 | 120 | 9.1 | 13 | 4 | 2 | 360 | |||
| 4 | ВС394 | 120 | 9.1 | 12 | 4 | 4 | 400 | |||
| 5 | BF258 | 100 | 10 | 16 | 5 | 1 | 300 | |||
| 6 | BSS71 | 100 | 11 | 12 | 5 | 2 | 330 | |||
| 7 | Q2N3500 | 120 | 10 | 18 | 6 | 3 | 220 | |||
| 8 | Q2N3501 | 130 | 10 | 18 | 6 | 1 | 220 | |||
| 9 | Q2N4014 | 130 | 10 | 14 | 4 | 2 | 200 | |||
| 10 | Q2N4400 | 130 | 12 | 22 | 4 | 1 | 200 | |||
| 11 | PN2369 | 120 | 10 | 20 | 5 | 1 | 260 | |||
| 12 | PN2369A | 120 | 11 | 15 | 5 | 2.2 | 320 | |||
| 13 | PN4274 | 120 | 9.1 | 13 | 4 | 2 | 360 | |||
| 14 | PN4275 | 120 | 9.1 | 12 | 4 | 4 | 400 | |||
| 15 | PN5134 | 100 | 10 | 16 | 5 | 1 | 300 | |||
| 16 | PN5135 | 100 | 11 | 12 | 5 | 2 | 330 | |||
| 17 | PN5136 | 120 | 10 | 18 | 6 | 3 | 220 | |||
| 18 | PN5137 | 130 | 10 | 18 | 6 | 1 | 220 | |||
| 19 | PN3642 | 130 | 10 | 14 | 4 | 2 | 200 | |||
| 20 | PN3641 | 130 | 12 | 22 | 4 | 1 | 200 | |||
Внимание. - При извлечении элементов из библиотек программа автоматически присваивает им порядковый номер.
- Конденсаторы С 1, С 2, С Э – полярные (обозначены символом +).
31
Приборы М1, М3, М4 установить в режим АС – режим измерения переменного тока и напряжения.
Установить напряжение источника V 2 равным напряжению Е К, принятому в предыдущей работе.
Установить напряжение источника сигнала V 1 = 10 mV, частоту – 1000 Гц (1 кГц). Это напряжение далее обозначается U ВХ. Вольтметр М4 измеряет напряжение на нагрузке U H, оно же является выходным напряжением U ВЫХ.
Включить режим моделирования. Если все собрано правильно, то на выходе усилителя вольтметр М4 покажет напряжение порядка 0,8 – 1,5 Вольта.
5.1.2 Раскрыть осциллограф и убедиться, что нелинейные искажения сигнала отсутствуют (нет искажений формы синусоидального сигнала). Если таковые имеются, то уменьшить напряжение на входе.
Закрыть осциллограф.
5.2 Порядок проведения работы
5.2.1 Параметры усилителя без обратной связи
– Определить коэффициент усиления каскада с нагрузкой по напряжению
К Uн = U ВЫХ/ U ВХ, (показания М4/ V 1) (U ВХ = V 1 = 10 mB).
– Определить коэффициент усиления каскада по току
К I = I ВЫХ/ I ВХ, (показания М3/М1).
– Вычислить коэффициент усиления каскада по мощности
К Р = К U· К I (К Р >> 1).
– Определить входное сопротивление каскада на переменном токе
rВХ = V 1/ I ВХ (показания V 1/М1) [кOм].
– Определить выходное сопротивление каскада.
Для этого удалить соединение между амперметром М3 и точкой [1] т.е. отключили нагрузку от выхода усилителя, обеспечив режим холостого хода U ВЫХхх.
32
Записать показания вольтметра М4.
|
|
где U ВЫХхх – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода,
U ВЫХ и I ВЫХ – напряжение и ток на выходе усилителя при подключенном сопротивлении нагрузки R Н, полученные в предыдущем опыте.
Примечание. rВЫХ ≈ R K.
– Вычислить коэффициент усиления каскада с отключенной нагрузкой (на холостом ходу).
К Ux = (U ВЫХхх)/ V 1 (К Ux > К Uн).
Записать показания амперметра М2. Это ток, потребляемый усилителем от источника питания V 2.
Подключить нагрузку к выходу усилителя (восстановив соединение амперметра и точки 1).
Вновь записать показания амперметра М2.
- Получить амплитудную (передаточную) характеристику усилителя.
Для этого входное напряжение источника V 1 уменьшить до нуля. Затем, увеличивая его через 2 мВ, записывать в протокол значения выходного напряжения (M4). Напряжение увеличивать до 20 мВ.
Результаты занести в таблицу 13 строки 1 и 2.
Табл. 13. Результаты измерений.
| 1 | U ВХ, [мB] (V1) | 0 | 2 | ...10... | 18 | 20 |
| 2 | U ВЫХ [мB] (M4) | |||||
| 3 | U ВЫХ [мB] (M4) |
- Определение нижней граничной частоты ƒНгр усилителя переменного тока.
Установить такое напряжение на входе (таблица 13), чтобы напряжение на выходе оказалось равным 1,0 В.
Уменьшая частоту входного сигнала V 1 найти такое ее значение, при котором выходное напряжение усилителя уменьшится до 0,7 В. Записать в протокол значение полученной частоты.
Установить частоту сигнала равной 1000 Гц.
5.2.2 Исследование влияние отрицательной обратной связи по току на параметры усилителя
– Отключить конденсатор С Э от эмиттера. Установить напряжение V1 равным нулю.
– Увеличивая входное напряжение от 0 до 20 мВ через 2 мВ, заполнить строку 3 таблицы 13.
Установить V 1 = 20 мВ.
32
– Определить коэффициент усиления каскада с обратной связью
К Uос = U ВЫХ/ U ВХ (показания М4/ V 1).
– Определить К I , вычислить К Р.
– Определить входное сопротивление каскада с обратной связью
rВХ = V 1/ I ВХ.
– Отключить нагрузку. Определить коэффициент усиления с обратной связью без нагрузки (R Н ®¥) К Uос = U ВЫХ/ V 1.
– Определить выходное сопротивление каскада с обратной связью.
Подключить сопротивление нагрузки.
Установить такое напряжение на входе (таблица 13), чтобы напряжение на выходе оказалось равным 1,0 В.
Уменьшая частоту входного сигнала найти такое ее значение, при котором выходное напряжение усилителя уменьшится до 0,7 В. Записать в протокол значение полученной частоты.
