УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Цель работы: Изучение работы электронных усилителей и их схемотехника.
Экспериментальное и компьютерное исследование влияния ООС на
основные характеристики усилителя низкой частоты.
1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Для увеличения амплитуды напряжения или силы тока, а также мощности
электрических сигналов используют специальные устройства, называемые
электронными усилителями.
Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом
работы и нелинейным.
К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования
получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения
формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это
достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных
значений напряжения и тока, составляющих во времени входной сигнал.
Важнейшим показателем усилителей, как линейных четырехполюсников с
линейным режимом работы является комплексный коэффициент передачи по
напряжению или току:
 m вых ()
U

K u () 
 K u ()  e j к () .

U m вх ()
 u () является комплексной, т.е. характеризует изменение как
Величина K
амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их
значениями на входе. Модуль коэффициента передачи
усилителя
K() называют коэффициентом усиления. Зависимость модуля комплексного
коэффициента передачи от частоты, определенного для гармонического
входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ)
усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от
частоты  u () носит название фазово-частотной характеристики усилителя.
В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы
подразделяются на:
 усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока –
УПТ),
 усилители низкой частоты (УНЧ),
 усилители высокой частоты (УВЧ),
 широкополосные, импульсные усилители (ШПУ),
 избирательные, узкополосные усилители (УПУ).
Характерная особенность УПТ – способность усиливать сигналы с нижней
частотой, приближающейся к (fн  0). Верхняя граница частоты fв в УПТ
может составлять в зависимости от назначения 103  108 Гц. УНЧ
характеризуются частотным диапазоном от десятков герц до десятков
килогерц. УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и
сотен мегагерц. ШПУ – имеют нижнюю границу частот примерно такую же,
как у УНЧ, а верхнюю – как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные
импульсные усилители. УПУ – характеризуются пропусканием узкой полосы
частот.
Усилители
Усилители с нелинейным
режимом работы.
Усилители с линейным режимом работы
УПТ
K
УНЧ
УПТ
fв
K
f
УВЧ
K
fн
fв f
K
fн
УПУ
УШП
fв f
K
fн
fв
f
fo
f
В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче
мгновенных значений входного сигнала отсутствует. В зависимости от закона
изменения выходного сигнала от входного U вых  f ( U вх ) , к усилителям с
нелинейным режимом работы можно отнести: усилители ограничители,
логарифмические усилители и т. п. В зависимости от характера нагрузки и
назначения различают также усилители: напряжения, тока и мощности, хотя
такое деление условно, так как в любом случае по существу усиливается
мощность.
Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей.
Коэффициент усиления. Коэффициент усиления по напряжению

U
K u  вых различных усилителей достигает десятков тысяч. Часто для
 вх
U
достижения необходимого K u используют многокаскадные усилители, в
которых U вых предыдущего каскада является U вх для следующего и общий
коэффициент усиления равен:
K u  K u1  K u 2  K u 3  ...  K un .
Коэффициент усиления - величина безразмерная и в ряде случаев принято
усилительные свойства выражать в логарифмических единицах – децибелах:

U
K дб  20 lg вых .
 вх
U
Для многокаскадного усилителя:
K дб  K1дб  K 2дб  K3дб  ...  K nдб .
Используют также коэффициент усиления по току и по мощности, которые
тоже можно выражать в децибелах.
I
P 
K I дб  20 lg вых ,
K P дб  10 lg  вых  .
I вх
 Pвх 
Входное и выходное сопротивление. Усилитель можно рассматривать как
активный четырехполюсник, к входным зажимам которого присоединен
источник усиливаемого сигнала с ЭДС Евх и внутренним сопротивлением Rвт,
а к выходным - сопротивление нагрузки Rн .Для выходной цепи усилитель
представляет источник ЭДС Евых с внутренним сопротивлением Rвых.
Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным
U
сопротивлением R вх  вх . Сопротивление Rвых определяют между
I вх
выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.
Rвт
R вых
Iвых=Iн
Евх
Uвх
Rвх
Eвых
Uвых
Rн
Iвх
Усилитель
Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение
определяют формулами:
E вх
E вх R вх
.
I вх 
,
U вх 
R вт  R вх
R вт  R вх
В зависимости от соотношения между Rвт и Rвх источник сигнала может
работать в режимах: а) холостого хода, если Rвх > Rвт, когда U вх  E вх ; б)
короткого замыкания, если Rвх < Rвт и значит Iвх  Eвх / Rвт; в) согласования,
когда Rвх  R вт и в усилитель передается наибольшая мощность.
Мощность, передаваемая усилителю:
2
 E вх

  R вх
Pвх  I вх  U вх  
R

R
 вт
вх 
 Pвх
Приравняв нулю производную
 0 , получим R вх  R вт . При этом в
 R вх
2
E вх
усилитель поступает Pвх max  0,25 
, т.е. четверть потенциальной мощности
R вт
источника сигнала. Аналогичные режимы работы возможны и для выходной
цепи.
При согласовании нагрузки и выходного сопротивления усилителя в
нагрузке выделяется наибольшая мощность.
Выходная мощность. При чисто активной нагрузке и синусоидальном
напряжении
Pвых

2
U вых m 2
U вых


Rн
Rн
2
2  U вых
U вых m  I вых m
m
,

2R н
2
где U вых и U вых m - действующее и амплитудное значение выходного
напряжения; I вых m - амплитуда тока в нагрузке.
Pвых
где Р –
 100 % ,
P
мощность, потребляемая усилителем от источников питания.
Следует отметить, что любой усилитель, на каком бы виде энергии он ни
функционировал, является, по существу, лишь регулятором для мощности Рвых,
пропускаемой от источника питания в нагрузку, а входной сигнал лишь
регулирует значение этой пропускаемой мощности,
затрачивая на это
мощность Рвх.
Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудная характеристика
отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения
амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных
пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Её снимают
при гармоническом входном сигнале для области средних частот.
Коэффициент полезного действия. КПД  
Типичный вид амплитудной характеристики показан на рисунке. Участок 1-3
соответствует пропорциональному усилению. Участок ниже точки 1
амплитудной характеристики не используется, так как полезный сигнал трудно
отличить от собственных шумов усилителя.
Uвых. м.
4
Umax
3
Uвых.3
2
Umin.
1
Uвых.2
Uвых.1
Uвх.
м.
Участок 3 – 4 соответствует нарушению пропорциональной зависимости
выходного напряжения от входного. Участок за точкой 4 соответствует
состоянию ограничения
выходного сигнала. Отношение амплитуды
максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому
U
D  max , называется динамическим диапазоном усилителя.
U min
Амплитудно-частотная характеристика. (АЧХ) Это зависимость
коэффициента усиления (по напряжению) от частоты усиливаемого сигнала:

U
m вых (f )
.
K u (f ) 

U
(f )
m вх
Примерный вид АЧХ для различных типов усилителей показан на рисунке
классификации усилителей по частотному диапазону усиливаемых сигналов.
Величина f  f в  f н указывает на полосу пропускания усилителя в частотном
диапазоне.
Фазочастотная характеристика. (ФЧХ)
Она представляет собой
зависимость угла сдвига фаз “” между входным и выходным напряжениями
усилителя от частоты сигнала.
Нелинейные искажения. Они представляют собой степень изменения формы
кривой усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения –
нелинейность характеристик усилительных элементов. На рисунке в качестве
примера приведена входная характеристика транзистора, включенного по схеме
с ОЭ, и показано, как искажается форма тока I б ( t ) , т.е. входного тока
усилителя, по сравнению с синусоидальной формой входного напряжения
U вх ( t ) . В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя
содержит кроме постоянной составляющей и основной (первой) ещё и высшие
гармонические составляющие.
Iб
Iб
+I m
- Im
Uбэ
t
Uвх
t
Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом
нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения
мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной
мощности:
P2  P3  ...  Pn
kн 
,
P1  P2  P3  ...  Pn
или близким к нему коэффициентом гармоник:
P2  P3  ...  Pn
U 22  U 32  ...  U 2n
,
kг 

P1
U12
где U1 , U 2 , U n - действующие (или амплитудные) значения первой, второй и
т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе.
Эти коэффициенты часто выражают в %.
II. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
1. Эмиттерный повторитель
Схема представленная на рис.1 называется эмиттерным повторителем.
Выходное напряжение снимается с эмиттера транзистора.
+
Uвх
Uвх
Rэ
Рис.1
Выходной сигнал по форме повторяет входной. Коэффициент усиления по

U  0,6B
U
U
 1.
напряжению: K u  вых  вых  б
 вх
U
U вх
Uб
I вых I э I к  I б
 
   1 , т.е.
Коэффициент усиления по току: K I 
I вх
Iб
Iб
эмиттерный повторитель при единичном усилении по напряжению усиливает
входной сигнал по току и, соответственно, по мощности. Следует отметить, что
входной импеданс схемы больше выходного. Это основное преимущество,
позволяющее ему найти широкое применение как каскад, согласующий
импедансы.
Пусть напряжение на базе транзистора изменилось на ΔUб, тогда U э  U б .
Изменится и ток эмиттера I э  I б (1  ) . Решая уравнения совместно с
U б
учетом Rэ и rвх, получим:
 I б (1  ) или rвх  R э (1  ) .
Rэ
В полученном соотношении фигурируют активные сопротивления, однако его
можно обобщить и распространить на комплексные импедансы. В результате
можно записать правило преобразования импедансов для эмиттерного
повторителя: Z вх  (  1)  Z вых .
2. Смещение в эмиттерном повторителе
Если на эмиттерный повторитель должен поступать сигнал с
предшествующего каскада схемы, то лучше всего подключить его
непосредственно к выходу предыдущего каскада, как показано на рис.2.
Uп
Т2
Т1
Uвх
Uвых
Рис. 2
Так как сигнал на коллекторе транзистора Т1 изменяется в пределах
диапазона напряжения питания Uп, то потенциал базы Т2 поддерживает его в
активной области (не насыщен и не в отсечке).
В некоторых случаях вход эмиттерного повторителя и напряжение питания
неудачно соотносятся друг с другом, и тогда может возникнуть необходимость
в емкостной связи с внешним источником сигнала. Такое согласование требует
создание внешнего смещения для того, чтобы коллекторный ток протекал в
течение полного периода сигнала. Проще всего воспользоваться для этого
делителем напряжения (рис. 3).
Uп
С1
R2
С2
Uвх
R1
Rэ
Uвых
Рис.3
В качестве примера рассчитаем схему эмиттерного повторителя для сигналов
звуковой частоты (20 ÷ 20·103 Гц). Напряжение Uп=15В, ток покоя транзистора
Iо = 1mA.
1) Для получения на выходе симметричного сигнала необходимо,
чтобы выполнялось условие U э  0,5U п  7,5B .
2) Ток покоя должен составлять 1mA, поэтому
0,5U п
Rэ 
 7,5кОм .
Io
3) Напряжение на базе транзистора U б  U э  0,6B  8,1B . Из этого следует, что
сопротивления резисторов делителя R1 и R2 относятся друг к другу как 6,9 : 8,1
= 1 : 1,17. Учитывая, что R вх  (1  )  R э и что ток через делитель должен быть
больше, чем ток, протекающий по цепи базы, получим R1║ R 2  (  1)  R э
Выберем следующие стандартные значения сопротивлений: R1=130кОм,
R2=150кОм.
4)Выбор конденсаторов С1 и С2 основывается на том, что они с резисторами Rвх
и Rнагр составляют фильтры высоких частот. Наименьшая частота, которую
1
должен пропустить этот фильтр 20Гц. Используя соотношение f гр 
2RC
можно вычислить значения C1 и C2.
C1  0,15 мкФ и при R нагр  R э C2  1мкФ .
3. Транзисторный источник стабильного тока
Хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис.4).
I=0,5mA
10кОм
+15
Rнагр
5,6
5В
КС156
Rэ 10кОм
Рис.4
Работает он следующим образом: напряжение на базе Uб=5,6В поддерживает
эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб – 0,6В. В связи с этим
U
U  0,6
Iэ  э  б
 0,5mA  I н независимо от напряжения Uк до тех пор, пока
Rэ
Rэ
транзистор не перейдет в режим насыщения ( U к  U э  0,2B) .
4. Усилитель с общим эмиттером
Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор
(рис.5).
Uп=20В
R1110кОм
Rк10кОм
С1 1,6В
10В
0,1мкФ
Uвх
Uвых
1.0В
R210кОм
С2
Rэ1кОм
Iк
Iб
Uп/Rк+Rэ
Iко=1mA
Io
0
t
Uбэ о+Uвх m
0
t
Uбэ о-Uвх m
Uбэ
Uп=20В
Uбэ о
Uкэ
Uвх m
Uкэ о=10В
Uкэ m=Uвых m
t
t
Рис.5
Rк
Напряжение на коллекторе равно U к  U п  I к R к . Можно через емкость подать
сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться.
Конденсатор выбран так, что фильтр высоких частот (С и R1║R2) пропускает
все нужные частоты. Иначе говоря,
C  1 2f (R1║R2).
Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию
эмиттерного резистора в 1кОм, ток покоя коллектора составляет 1.0mA. Этот
ток создает на коллекторе напряжение
U к  U п  I к  R к  10 B .
Если на базу транзистора подан сигнал ΔUвх, напряжение на эмиттере
повторяет изменение напряжения на базе ΔUэ = ΔUвх и вызывает изменение
U э U вх
эмиттерного тока I э 
, и приблизительно такое же изменение

Rэ
Rэ
коллекторного тока ΔIк.
Итак, учитывая, что U к  U п  I к R к и, давая приращения базовому
U вх
напряжению, получим U к  I к  R к  
 Rк .
Rэ
U вых
U к
R
Коэффициент усиления определяется как: K u  

 к ,
U вх
U вх
Rэ
тогда получается, что схема представляет собой усилитель напряжения,
R
коэффициент усиления которого равен отношению ( к ) . В нашем примере
Rэ
Ku = - 10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает
на выходе отрицательный сигнал, увеличенный в 10 раз.
Нетрудно определить входное и выходное сопротивления усилителя. Для
входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение
резисторов R1 и R2, и входного сопротивления со стороны базы. Последнее
равно R э (  1)  R эб  100 кОм . Преобладающую роль играет сопротивление R2
= 10кОм. Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение
Rк и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. Коллектор
как элемент источника тока обладает очень большим сопротивлением (порядка
МОм), поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным
резистором Rк = 10кОм.
В соответствии с нашей моделью коэффициент усиления по напряжению
усилителя с общим эмиттером равен R к R э . Если сопротивление эмиттера
будет уменьшаться, стремиться к нулю, то, согласно выведенным
соотношениям, коэффициент усиления будет беспредельно возрастать. Однако
измерения показывают, что при токе покоя Iк о = 1mА и Rэ = 0 K = 400.
Окажется также, что усилитель начнет работать как нелинейный элемент –
выходной сигнал искажается, смещение начнет зависеть от температуры.
Следовательно, в нашу модель следует внести поправку.
Ток коллектора связан с напряжением Uбэ следующей зависимостью:


U
kT
I к  I обр эб exp бэ  1 , где U т 
 26 mB при 20˚С, I обр эб - обратный ток
Uт
e


перехода эмиттер – база.
Это уравнение для Iк известно под названием уравнение Эберса – Молла. Из
него следует, чтобы ток Iк увеличился в 10 раз нужно Uэб увеличить на Uт ln 10
или на 60 mB при комнатной температуре.
U
25
Взяв производную от Uбэ по Iк, получим rэ  т 
Ом , где Iк в mA. rэ Iк
Iк
это собственное сопротивление эмиттера выступает в качестве
последовательного для эмиттерной цепи во всех транзисторных схемах, и оно
определяет конечную величину коэффициента усиления.
В связи с тем, что ток I обр эб зависит от температуры, напряжение Uбэ
уменьшается на 2,1 mВ/˚С. И если в схеме с заземленным эмиттером (Rэ=0)
задать жесткое смещение на базе, то повышение температуры на 30˚С приведет
к увеличению коллекторного тока в 10 раз. Такая нестабильность делает
смещение неработоспособным.
Для повышения температурной стабильности схемы усилителя с общим
эмиттером пользуются введением в эмиттерную цепь резистора Rэ, величина
которого выбирается 0,1Rк. Если происходит температурное увеличение тока
коллектора, это приводит к увеличению тока эмиттера, к увеличению Uэ=Iэ·Rэ
и уменьшению Uбэ. Уменьшение Uбэ – уменьшает ток коллектора.
Использование Rэ создает отрицательную обратную связь, позволяющую
улучшить характеристики усилителя за счет частичной передачи выходного
сигнала на вход при снижении коэффициента усиления. Восстановить
коэффициент усиления схемы для переменного сигнала можно шунтированием
эмиттерного резистора конденсатором С2. Его сопротивление переменному
1
току будет определяться как
 Rc .
C
5. Обратная связь в электронных усилителях
Обратной связью в электронных усилителях называют электрическую связь,
передающую сигнал с выхода усилителя обратно на его вход. Количественно
обратную связь оценивают коэффициентом обратной связи γ, показывающим,
какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя.
Так как сигнал на входе представляет напряжение, сигнал обратной связи
(для возможности совместного его использования с входным сигналом) также
удобно формировать в виде напряжения.
Обратную связь можно осуществить по напряжению, если сигнал обратной
связи Uос пропорционален выходному напряжению; или по току, если Uос
пропорционален выходному току.
Напряжение обратной связи может вводиться параллельно с входным
напряжением или последовательно с ним.
Обратная связь может быть положительной, если напряжение Uос действует
согласно с напряжением Uвх (для сигналов постоянного тока они складываются,
а для сигналов переменного тока они совпадают по фазе); или отрицательной,
если напряжение Uос действует встречно с напряжением Uвх (для сигналов
постоянного тока они вычитаются, а для переменного – находятся в
противофазе). Обратные связи существенно влияют на параметры и
характеристики усилителей.
Чтобы увидеть это, построим эквивалентную схему, показанную на рис. 6.
Uд
U
А
Uвых
П
γ
Рис. 6
На этой схеме блок А является усилителем с коэффициентом усиления без
обратной связи, равным А, а блок γ является цепью обратной связи с
коэффициентом γ.
При разомкнутом положении переключателя “П” выходное напряжение
будет определяться равенством Uвых  АUвх  AU д .
После замыкания переключателя “П” (вводится положительная обратная
связь) входной сигнал усилителя Uд станет равным U вх  U вых , тогда
U вых  A( U вх  U вых ) .
Разрешая
это
уравнение,
получим
U вых
A
, где Kпос – коэффициент усиления по напряжению при
 K пос 
U вх
1  A
наличии обратной связи.
Из выведенного соотношения видно, что если γА → 1, то Kпос»А –
положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. По
аналогии, введя отрицательную обратную связь, придем к выводу, что
A
отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления K оос 
.
1  A
Тем не менее, в усилителях чаще используют отрицательную обратную связь,
потому что она ценой снижения коэффициента усиления позволяет улучшить
характеристики усилителя и другие его параметры.
Важным показателем качества работы усилителя является стабильность его
коэффициента усиления. Оценим ее при отрицательной обратной связи, для
чего продифференцируем выражение Kоос по А:
dK оос (1  A)  A
1


.
2
dA
(1  A)
(1  A) 2
dK оос
1
dA
, откуда следует, что


K оос 1  A A
относительное изменение коэффициента усиления с введенной отрицательной
обратной связью (по каким бы причинам оно не происходило) уменьшается в
(1+γА) раз по сравнению с усилителем без обратной связи. Таким образом,
стабильность Kоос значительно лучше.
При γА » 1 (так называемая глубокая отрицательная обратная связь) можно
пренебречь единицей в знаменателе выражения для Kоос и получить
A
1
соотношение K оос 
 , означающее, что Kоос практически не зависит от
1  A 
коэффициента усиления собственно усилителя, а значит и его возможных
изменений. Поэтому стабильность Kоос определяется только стабильностью
коэффициента γ, которую можно обеспечить достаточно высокую.
Найдем входное сопротивление усилителя при последовательной обратной
связи.
U д  Uвх  Uос  Uвх  Uвых  Uвх  AU д , откуда Uвх  U д (1  A) .
Входное сопротивление для схемы усилителя с последовательной обратной
связью:
U (1  A)
U
R вх оос  вх  д
 R вх (1  A) ,
I вх
I вх
где Rвх – входное сопротивление собственно усилителя без обратной связи.
Таким образом, отрицательная обратная связь значительно увеличивает
входное сопротивление усилителя, что благоприятно сказывается на работе
источника сигнала (не перегружает его).
Обратная связь может явиться причиной самовозбуждения усилителя, когда
в нем возникают колебания напряжения и тока при отсутствии сигнала на
входе.
Если при положительной обратной связи γА ≥ 1, то малейший входной
сигнал (любое случайное колебание Uвх) усилится и вернется по цепи обратной
связи на вход усилителя, причем значение вернувшегося сигнала будет больше
входного сигнала или при γА=1 равно ему. Даже если входной сигнал
прекратится, вернувшийся сигнал заменит его и, будучи снова усиленным,
начнет циркулировать в системе усилитель – обратная связь. Таким образом,
условие γА ≥ 1 является первым необходимым условием самовозбуждения.
Из рассмотренного процесса самовозбуждения очевидно, что сигнал
обратной связи в состоянии заменить начальный входной сигнал только в том
случае, если Uос не только равно или больше Uвх по амплитуде, но и совпадает с
ним по фазе, т.е. сдвиг фаз между ними Δφ = 0, что и характерно для
положительной обратной связи. Заметим, что при отрицательной обратной
связи напряжение Uос и Uвх находятся в противофазе, т.е. сдвиг фаз между ними
φ=180˚. Таким образом, вторым необходимым условием самовозбуждения
является отсутствие сдвига фаз (φ=0) между сигналом обратной связи и
входным сигналом.
Разделив обе части на Kоос, получим:
В реальном усилителе и в реальной цепи обратной связи всегда имеются
фазовые сдвиги, значение которых зависят от параметров реактивных
элементов. Эти фазовые сдвиги зависят от частоты усиливаемого сигнала,
изменяющегося по частоте в значительных пределах, поэтому отрицательная
обратная связь, осуществленная на одной частоте, может перейти в
положительную на другой. При проектировании усилителей стремятся
избежать режима самовозбуждения, создавая так называемый запас
устойчивости по фазе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Выполнение экспериментальной части работы заключается в изучении
назначения и функционирования элементов и составных частей электронного
двухкаскадного усилителя НЧ с эмиттерным повторителем на выходе, а также
измерение его основных параметров и характеристик.
Для решения этих задач используется лабораторный стенд № 4. Его внешний
вид представлен на рис.7а. На рис.7б приведена электрическая принципиальная
схема двухкаскадного электронного усилителя НЧ с эмиттерным повторителем
на выходе. В предлагаемом усилителе введена регулируемая отрицательная
обратная связь по напряжению и току.
2
1
10
9
3
8
4
5
6
7
Рис.7а. Внешний вид лабораторного стенда № 4
1- Сетевой трансформатор блока питания.
2- Стабилизированный источник питания усилителя (10 В).
3- Плата усилителя низкой частоты.
4, 6- Выводы общего провода.
5- Штекер входа усилителя.
7- Штекеры выхода усилителя.
8, 10- Органы управления глубиной отрицательной обратной связи
по току (R2) и напряжению (R1).
9- Тумблер включения сетевого питания.
Uп
1мкФ +
6,8к
1,5к
1мкФ
+
2,7к
1мкФ
1к
27
+
Т1
Т2
Т3
Uвх
2,7к
1к
+
6,8к
1,5к
+
340
Uвых
R2
+
R1
Рис.7б. Принципиальная схема усилителя низкой частоты
Лабораторный стенд подключается к сети ~220В. Для снятия электрических
параметров и характеристик усилителя НЧ используются источники сигналов и
измерительные приборы. В качестве источника сигналов используется
генератор сигналов специальной формы Г6-36. Измерение эффективных
значений входного и выходного сигналов (Uвх, Uвых) производится
милливольтметрами переменного тока В3 – 38А и В3 – 56.
Определение величины коэффициента нелинейных искажений (Kн %)
производится автоматическим измерителем нелинейных искажений С6 – 11.
Контроль формы и фазовых параметров входного и выходного сигналов
осуществляется по осциллограммам двухлучевого осциллографа С1 – 118А.
Порядок выполнения работы
Перед выполнением каких-либо измерений необходимо проверить
правильность подключения лабораторного стенда и обслуживающих его
приборов к сети питания (~220В) и соответствие соединений лабораторного
стенда с измерительными приборами и источником сигналов схеме,
приведенной на рис.8.
3
1
2
5
4
6
Рис.8. Схема расположения лабораторного стенда, измерительных приборов и
источника сигнала.
1- осциллограф двухлучевой С1 – 118А;
2, 5- милливольтметры В3 – 56 и В3 – 38А;
3- измеритель нелинейных искажений автоматический С6 –11;
4- генератор сигналов специальной формы Г6 –36;
6- лабораторный стенд
Все межприборные соединения производятся коаксиальным кабелем через
разъемы СР – 50. Перед подключением приборов к сети необходимо органы
управления измерительных приборов и осциллографа поставить в положение
измерения максимальной величины сигнала.
После соблюдения всех выше изложенных мер предосторожности, можно
приступать к выполнению экспериментальной части работы.
Задание 1. Построение амплитудной характеристики усилителя
НЧ при различных значениях ООС.
Учитывая,
что
амплитудная
характеристика
это
зависимость
U вых  ( U вх ) при f  const , снять показания Uвх и Uвых при f = 1кГц. Попутно
снимать показания коэффициента нелинейных искажений Kн (%). Uвх изменять
от 0 до значений, при которых выходной гармонический сигнал претерпевает
двухстороннее ограничение. Шаг выбирается исследователем. Следует учесть,
что установка выходного сигнала генератора Г6 – 36 дискретная и
производится в следующем порядке. При установке частоты нажать
последовательно клавиши F; набор; кГц; 1,00; ввод. При этом на цифровом
табло высвечивается цифра 1,00 кГц.
При установке величины выходного напряжения нажать последовательно
клавиши U; набор; 0,01; ввод. При этом на цифровом табло напряжений
высвечивается 0,01 и на выходе генератора появляется сигнал 0,01 Вольта по
амплитуде.
Для последовательного изменения выходного напряжения в сторону
больших величин можно воспользоваться коррекцией выходного сигнала по
напряжению. Для этого нажать последовательно следующие клавиши U; корр;
Х; ↑, где Х – номер корректируемой цифры. Нажатие клавиши ↑ увеличивает
выходной сигнал на единицу разряда Х, нажатие клавиши ↓ уменьшает
выходной сигнал на единицу разряда Х. (Не уменьшать выходной сигнал
менее 0.00)!!!
В процессе проведения измерений, данные удобно заносить в таблицу 1.
Таблица 1
№ f R1=25кОм R2=0,1кОм R1=25кОм R2=0,7кОм R1=50кОм R2=0,7кОм
Uвх Uвых Kн Ku D Uвх Uвых Kн Ku D Uвх Uвых Kн Ku D
кГц mB B %
mB B
%
mB B
%
1.
2.
…
После
окончания
эксперимента
построить
графики
U вых  ( U вх ) и K н  ( U вх ) , и расcчитать коэффициент усиления по
напряжению Ku и динамический диапазон D.
Используя параметры схемы и значения R1 и R2, рассчитать коэффициент
обратной связи β, а также входное (Rвх) и выходное (Rвых) сопротивления
исследуемого усилителя НЧ.
Задание 2. Построение амплитудно – частотной характеристики
(АЧХ) усилителя НЧ при различных значениях
глубины ООС.
Напоминаем, что АЧХ представляет зависимость коэффициента усиления по
U
напряжению K u  вых от частоты (Ku=φ(f)) при Uвх = const. Поэтому, для
U вх
построения кривой АЧХ необходимо задать входной сигнал такой величины,
чтобы он находился на линейной части амплитудной характеристики при
различных значениях коэффициента обратной связи β, и, изменяя частоту
входного сигнала в пределах 10 ÷ 105 Гц, снимать значения напряжения
выходного сигнала по показаниям милливольтметра В3 – 56. Построение
кривых АЧХ произвести для трех значений β (R1 = 25кОм, R2 = 0,1кОм; R1 =
25кОм, R2 = 0,7кОм; R1= 50кОм, R2 = 0,7кОм). Попутно снять показания
коэффициента нелинейных искажений.
При установке величины выходного напряжения генератора последовательно
нажать клавиши U; набор; величина Uвх в вольтах; ввод. При установке
величины начальной частоты последовательно нажать клавиши F; набор; Гц;
10; ввод. Для изменения частоты выходного сигнала генератора использовать
способ коррекции: F; корр; Х; ↑↓, где Х – номер корректируемой цифры, ↑↓ увеличение или уменьшение Х – разряда частоты на единицу при единичном
нажатии на клавишу. Сброс коррекции осуществляется нажатием клавиши
“ввод”.
В процессе проведения эксперимента результаты измерений занести в
таблицу 2.
Используя табличные данные, построить графики Ku = φ(lg f) и Kн = ψ(lg f).
По графикам измерить полосу пропускания усилителя Δf = fв – fн и сравнить ее
с расчетной Δfрас.
Таблица 2
№ Uвх R1=25кОм R2=0,1кОм R1=25кОм R2=0,7кОм R1=50кОм R2=0,7кОм
f lg f Uвых Ku Kн Δf f lg f Uвых Ku Kн Δf f lg f Uвых Ku Kн Δf
mB кГц
mВ
кГц кГц
mВ
кГц кГц
mВ
кГц
1.
2.
…
Произвести анализ полученных результатов и сделать выводы.
Задание 3. Компьютерное моделирование лабораторного
эксперимента.
1. Используя программное обеспечение, предлагаемое
преподавателем
(Electronics Workbench 3.0E или CircutMaker v.5.0), построить на экране
компьютера (или использовать файл "Лаб4") схему исследуемого усилителя
низкой частоты. Ввести параметры элементов схемы. Ко входу усилителя
подключить генератор гармонического сигнала и подать на вход сигнал с
напряжением Uвх.=0,02 В и частотой f =1кГц. Двухлучевой осциллограф и
измеритель амплитудно-частотной характеристики (АХЧ) по одному каналу
подключить ко входу усилителя, а по второму каналу к его выходу.
2. Изменяя R1 и R2 в цепях обратной связи по напряжению и току согласно
таблице 2 (R1=25кОм, R2=0,1кОм; R1=25кОм, R2=0,7кОм; R1= 50кОм,
R2=0,7кОм), наблюдать АЧХ и форму выходного сигнала при увеличении и
уменьшении Uвх. Органами настройки осциллографа и измерителя АЧХ
установить наиболее удобную для измерений форму и размер осциллограмм.
3. Используя возможности компьютерных программ измерить коэффициент
усиления КU при частоте входного сигнала f =1кГц, а также полосу
пропускания усилителя f.
4. Провести
анализ
полученных
результатов,
сравнить
их
с
экспериментальными данными и сделать соответствующие выводы.
При подготовке к отчету ответить на следующие вопросы:
1. Поясните назначение элементов усилительного каскада.
2. Объясните назначение эмиттерного повторителя.
3. Когда и как выбирается режим класса А?
4. Объясните, от каких факторов зависит вид АЧХ усилителя.
5. Какая обратная связь называется отрицательной и для каких целей она
применяется в усилителях?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш.шк., 1982. 496 с.; ил.
2. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие для студентов
вузов. М.: Высш. шк., 1988. 464 с.; ил.
3. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / Пер. с
англ. И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.; ил.
4. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И. Волощенко, Ю.Ю.
Мартюшев и др./ Под ред. Г.Д. Петрухина. М.: Изд-во МАИ, 1993. 416 с.; ил.
5. Радиотехника: Учебное пособие для студентов вузов /
Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соина. М.: Просвещение,
1986.
319 с.; ил.
6. Элементы информационных систем: Учеб. для вузов / В.П. Миловзоров.
М.: Высш.шк., 1989. 440 с.; ил.