Министерство Образования Российской Федерации

Министерство Образования Российской Федерации
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра вычислительной техники и защиты информации
Лабораторная работа
Исследование транзисторных усилителей.
Выполнили: студенты группы ВМ-212
Медведев Павел
Исламгулова Зульфия
Пестрецов Андрей
Золин Михаил
Проверил: доцент Кутдусов Ф.Х.
Уфа 2002
Лабораторная работа
Исследование транзисторных усилителей
Цель работы: Изучение принципа действия и освоения методики определения
и исследования характеристик и параметров транзисторных усилителей.
Перечень оборудования:
1. Экспериментальная установка;
2. Осциллограф.
Краткая теоретическая часть
Усилителем
называется
электронное
устройство,
позволяющее
преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности
на выходе. Это преобразование совершается за счет энергии источника питания.
Усилитель предназначен для увеличения параметров электрического сигнала:
напряжения Uвх, тока Iвх, мощности Pвх. Основными параметрами усилителя
являются:
Uвых
а) коэффициент усиления по напряжению Ku = ——;
Uвх
Iвых
б) коэффициент усиления по току Ki = ——;
Iвх
Pвых
в) коэффициент усиления по мощности Kp = —— .
Pвх
Для усилителя возможны различные значения Ku, Ki, Kp, но принципиально то,
что всегда Kp>1, тогда как Ku, Ki могут быть больше или меньше 1.
Все усилители делятся на два класса – с линейными и нелинейными режимами
работы (линейные и нелинейные усилители). К линейным усилителям
предъявляется требование минимального искажения усиливаемого сигнала.
Коэффициенты усиления линейного усилителя рассчитываются по амплитудным
или действующим значениям (для синусоидального сигнала) напряжения и тока.
Важнейшим показателем линейного усилителя является его амплитудночастоная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента
усиления Ku, определенного для синусоидального сигнала, от частоты. В
зависимости от вида АЧХ линейные усилители делятся на усилители постоянного
тока (УПТ) с рабочим диапазоном частот fp от 0 до 103…108Гц, усилители
звуковых частот (УЗЧ) с fp от десятков герц до 15…25кГц, усилители высоких
частот (УВЧ) с fp от десятков килогерц до сотен мегагерц, широкополосные
усилители (ШПУ) с fp от десятков герц до сотен мегагерц и узкополосные
(избирательные) усилители (УПУ) с узкой полосой fp.
Рабочий диапазон частот усилителя ограничен верхней и нижней граничными
частотами fв и fн. Граничные частоты определяются по АЧХ, когда Ku снижается в
2 раз по отношению к Ku0 на средней частоте f0.
Нелинейные усилители характеризуются зависимостью коэффициента
усиления от величины усиливаемого сигнала.
В зависимости от того, какой параметр является определяющим, усилители
делятся на усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности.
По типу связи между каскадами различают усилители с гальванической связью
(характерно для УПТ); усилители с RC-связью, где разделительным элементом
между каскадами является конденсатор; усилители с трансформаторной связью;
усилители со связью через колебательный контур.
Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора,
выполняющего роль управляемого элемента.
Расчет усилительного каскада состоит из двух этапов:
а) анализ (расчет) каскада по постоянному току;
б) анализ (расчет) каскада по переменному току.
Первый этап выполняют графо-аналитическим методом, в результате чего
определяются параметры элементов схемы, предназначенные для обеспечения
параметров режима покоя.
На втором этапе решается задача определения основных показателей
усилителя: Ku, Ki, Kp, Rвх, Rвых. Основной метод расчета на втором этапе
заключается в замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по
переменному току.
Определим основные параметры каскада по данной схеме замещения.
Входное сопротивление каскада определяется из выражения
Rвх = R1||R2||rвх,
где rвх = rб+(1+)rэ – входное сопротивление транзистора;
rб – объемное сопротивление базы;
rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;
 - коэффициент передачи базового тока.
Коэффициент усиления каскада по току
iн
Rвх
rк||Rн||Rк
Ki = — =  ——  ————— .
iвх
rвх
Rн
Rк||Rн
Если R1||R2 > rвх, Rк >Rн, Rвх  rвх, rк >>Rк||Rн, получим Ki  ———.
Rн
Коэффициент усиления по напряжению

Uвых
Rн
Rк||Rн
Ku = ——— = Ki ————  ————.
Uвх
RГ+Rвх
RГ+Rвх
Коэффициент усиления каскада по мощности
Pвых
Kp = —— = Ku Ki
Pвх
Выходное сопротивление каскада рассчитывают относительно его выходных
зажимов Rвых = Rк||rк. Так как rк >> Rк, то Rвых  Rк.
Вторым важнейшим показателем линейного усилителя является фазочастотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость фазового сдвига 
между входным и выходным сигналом, от его частоты; ФЧХ измеряется в
радианах.
Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного
напряжения при постоянной частоте входного сигнала называется амплитудной
характеристикой усилителя. Для линейных усилителей эта характеристика
представляет собой прямую линию на рабочем участке.
Для изменения параметров усилителей, в них вводят обратные связи. Обратной
связью в общем виде называют передачу энергии из выходной цепи усилителя во
входную цепь. Различают обратную связь (ОС) по току и напряжению. Обратная
связь по току пропорциональна выходному току усилителя, ОС по напряжению –
его выходному напряжению. Возможна и комбинированная обратная связь – по
напряжению и току одновременно.
По способу подачи сигнала ОС во входную цепь различают последовательную
и параллельную ОС. Если во входной цепи складываются напряжения обратной
связи и входного сигнала, то такую ОС называют последовательной. Если же во
входной цепи складываются ток входного сигнала и ток цепи ОС, то такую связь
называют параллельной.
В случае, когда в результате введения цепи ОС коэффициент усиления Ku ос
увеличивается по сравнению с Ku без ОС, такую ОС называют положительной
обратной связью (ПОС), а если Ku oc < Ku, такую ОС называют отрицательной ОС
(ООО).
В усилителях наиболее часто применяется ООС, т.к. она позволяет повысить
стабильность Ku, уменьшить нелинейные искажения сигнала, увеличить входное и
уменьшить выходное сопротивление усилителя.
dUвх
Входное сопротивление усилителя Rвх = ——— является нагрузкой источника
diвх
входного сигнала. Повышение Rвх усилителя позволяет уменьшить нагрузку на
него или использовать менее мощный источник. Выходное сопротивление
усилителя Rвх, как правило, определяется относительно зажимов нагрузки при
отключенной нагрузке и закороченном источнике входного сигнала.
Описание принципиальной схемы
Лабораторная установка состоит из трёх устройств: А1, А2, А3 и их блока
питания.
Устройство А1 (рисунок 2,а) представляет собой однокаскадный УЗЧ с
транзистором VT1, включенным по схеме с ОЭ. Нагрузкой является переменный
резистор R6, подключаемый с помощью тумблера SA3.
Устройство A2 (рисунок 2,б) представляет собой однокаскадный УЗЧ на
транзисторе VT1, включенном по схеме с ОК. Нагрузка R4 подключается
тумблером SA4, а питание – переключателем SA2 (положение A2).
Устройство А3 представляет собой трехкаскадный УЗЧ с RC-связями между
каскадами (рисунок 3). Первый каскад построен по схеме с ОК (VT1), второй и
третий – по схеме с ОЭ. Введение ОС через резистор R13 осуществляется с
помощью тумблера SA5. Подключение питания осуществляется переключателем
SA2 (положение A3).
Выполнение лабораторной работы.
Задание 1.
Для схемы однокаскадного усилителя с ОЭ снять и построить амплитудную
характеристику Uвых = f(Uвх) на частоте 1кГц, на ее линейном участке определить
коэффициенты усиления по напряжению Ku, току Ki, мощности Kp; измерить
входное Rвх и выходное Rвых сопротивление усилителя на частоте 1кГц. Рассчитать
Rвх при =70, rб = 100 Ом, rэ = 30 Ом и сравнить его с реальным.
Задание 2.
Для схемы однокаскадного усилителя с ОК снять и построить амплитудную
характеристику на частоте 1кГц; на ее линейном участке определить Ku, Ki, Kp;
измерить Rвх и Rвых усилителя на той же частоте. Рассчитать Rвх при =70, rб =
100 Ом, rэ = 30 Ом и сравнить его с измеренным.
Задание 3.
Для трехкаскадного УЗЧ без ОС и с ОС снять и построить амплитудную
характеристику Uвых = f1(Uвх) при частоте входного сигнала Fвх=100 Гц, АЧХ Ku=
f2(Fвх) для Fвх=0…200 кГц, ФЧХ  = f3(Fвх) для Fвх=0…200 кГц; определить тип
ОС.