Измерение основных параметров усилителя

Цель работы

Представляя усилитель в виде активного четырехполюсника, экспериментально определить его основные параметры: коэффициенты усиления по напряжению K, по току K_I, по мощности K_P, входное R_вх и выходное R_вых сопротивления, а также снять амплитудную характеристику.

Задание на лабораторную работу

Подготовиться к работе, изучив гл. 1 в [1] и гл. 2 в [2].

Экспериментальная часть

3.1. Снять амплитудную характеристику исследуемого усилителя.

3.2. Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления.

3.3. Измерить коэффициент усиления по напряжению K. Рассчитать коэффициент усиления по току K_I и по мощности K_Р.

Методические указания к выполнению экспериментальной части

4.1. Измерения по пп. 3.1–3.3 производить на макете лабораторной работы 2 «Исследование резисторного каскада на биполярном транзис-торе» (рис. 2.1) в соответствии с разд. М4 настоящих методических указаний, на частоте f₀ по согласованию с преподавателем.

4.2. Повторить измерения по пп. 3.1–3.3 с обратной связью.

4.3. Результаты измерений по п. 3.1 занести в таблицу.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика (АХ) усилителя отображает зависимость амплитудного (или действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (или действующего) значения синусоидального напряжения, снятую на некоторой постоянной частоте. Обычно рекомендуется частота f = 1 кГц. Графики идеальной и реальной АХ показаны на рис. 1.1.

Так как коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину, не зависящую oт входного сигнала, его амплитудная характеристика имеет вид прямой, проходящей через начало координат под углом, определяемым усилением усилителя (штриховая линия).

Реальная АХ совпадает с идеальной лишь в области средних значений напряжений (участок 1-2). При больших напряжениях изгиб АХ обусловлен и нелинейностью характеристик элементов усилителя и ограничением выходных колебаний вследствие перегрузки усилительных каскадов.

Изгиб АХ при малых напряжениях сигнала связан с наличием в усилителе собственных шумов и помех, которые наблюдаются на выходе и при отсутствии сигнала.

Отношение U_2max / U_2min=D называется динамическим диапазоном и обычно оценивается в децибелах.

Нелинейность АХ указывает на наличие нелинейных искажений, которые определяются нелинейностью характеристик транзисторов. Однако с помощью АХ не удается определить ни характер, ни вид, ни уровень этих искажений. Несмотря на это она обладает хорошей наглядностью и позволяет качественно, что существенно для практики, оценить такие показатели усилителя, как коэффициент усиления, динамический диапазон, минимальные и максимальные допустимые значения входного сигнала, уровень собственных шумов.

Измерение АХ

Плавно увеличивая входное напряжение, следует наблюдать форму выходного сигнала на экране осциллографа. При появлении сколько-нибудь заметных искажений синусоидального сигнала зафиксировать полученные предельные значения U_2max и U_1max.

Измерение U₂ = f(U₁) можно начинать с U₁ = 0 и производить их через равные промежутки ∆ U₁. Практически удобно начинать отсчет с напряжения на 30–50% выше U_2max, разбить известный интервал на ряд равных отрезков и двигаться в сторону уменьшения сигнала вплоть до U₁ = 0.

Коэффициент усиления

Усилением называется частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией, во много раз большей. Необходимо при этом, чтобы процесс управления был непрерывным, плавным и однозначным.

Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.

Как преобразуется сигнал в зависимости от параметров усилителя, определяется коэффициентом передачи. Он характеризует отношение выходного сигнала к входному. В том случае когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления относится к важнейшим техническим показателям усилителей. Этот параметр представляет собой отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе, численно показывает увеличение выходного сигнала по сравнению с входным. Обычно интересуются коэффициентом усиления по напряжению K = U_вых / U_вх = U_2Н / U₁, который представляет собой отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе.

Коэффициенты по току K_I = I_вых / I_вх и по мощности K_Р = P_вых / P_вх определяются соответствующими величинами на входе и выходе.

Связь между коэффициентами следующая:

коэффициент усиления напряжения

откуда коэффициент усиления тока

и коэффициент усиления мощности

В общем случае коэффициенты усиления по напряжению и току величины комплексные, характеризуемые как модулем, так и фазой, и только на средних частотах они являются действительными величинами, удобными для использования в практических целях.

Большинство параметров усилителей определяется в режиме малого сигнала.* К таковым относится коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления. Уровень входного сигнала не должен превышать значения, при котором становятся заметными нелинейные искажения. Практически U₁ ≤ 0,3U_1max, U₁ устанавливается с таким расчетом, чтобы выходное напряжение не превышало 0,5U_2max c удобным округлением значения, например U₂ = 1 B.

Входное сопротивление

Входное сопротивление имеется у любого электрического устройства, для работы которого требуется сигнал. Оно есть мера тока, текущего во входной цепи, когда к входу приложено определенное напряжение.

Любую входную цепь, какой бы сложной она ни была, можно представить в виде простого импеданса, как сделано на рис. 1.1.

Если U_вх – напряжение переменного входного сигнала, а I_вх – переменный ток, текущий по входной цепи, то входной импеданс определяется по формуле, Ом,

У большинства схем входной импеданс имеет резистивный (омический) характер в широком диапазоне частот, в пределах которого сдвиг по фазе между U_вх и I_вх пренебрежимо мал, тогда R_вх = U_вх / I_вх.