Классификация усилителей. Параметры и характеристики

Лабораторная работа № 1

“Изучение основных характеристик усилителей”

Цель работы: Исследовать устройство и основные характеристики усилителя.

Теоретическое обоснование работы.

Необходимость усиления электрического сигнала возникает при недостаточности его для нормального функционирования исполнительного устройства (нагрузки).

Усилитель имеет 2 входных зажима и 2 выходных. К входным зажимам подключается источник усиливаемых электрических сигналов, к выходным - нагрузка (рис. 1). Источники входных сигналов могут быть самыми различными: микрофон, термопара, фоторезистор и т.д. Для анализа усилителя, любой источник можно представить как генератор ЭДС , имеющий некоторое внутреннее сопротивление . Нагрузка усилителя также может быть весьма разнообразной: электроннолучевая трубка, звуковоспроизводящее устройство, электромагнит и т.д. При анализе и расчете любую нагрузку представляют как комплексное сопротивление той или иной структуры. Вход и выход усилителя, как правило, имеют одну общую точку, обычно соединенную с корпусом прибора.

Очевидно, что усилитель имеет свое собственное входное сопротивление и выходное сопротивление , с эквивалентным генератором ЭДС .

В зависимости от соотношений входных и выходных сопротивлений усилителя с сопротивлениями источника сигнала и нагрузки различают:

- усилитель мощности

В этом случае осуществляется условие согласования и происходит передача максимальной мощности от источника на вход усилителя, от усилителя в нагрузку.

Коэффициент усиления по мощности

- усилитель напряжения

Это усилитель с достаточно большим входным и малым выходным сопротивлениями. Усилитель управляется по напряжению и имеет потенциальный вход.

Коэффициент усиления по напряжению

- усилитель тока

Рис. 1 Усилитель как четырехполюсник

Рис. 2 Структурная схема многокаскадного усилителя

Усилитель с малым входным и большим выходным сопротивлениями. Усилитель управляется по току и имеет токовый выход.

Коэффициент усиления по току

Обычно усиление одного каскада не превышает 40 gб. Чаще требуется гораздо больше усиления, что вынуждает прибегать к многокаскадным схемам усилителей, т.е. последовательному соединению отдельных каскадов, при этом общее усиление будет равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов (рис. 2). Первый каскад называется входным, последний – выходным или оконечным, предпоследний – предвыходным или предоконечным, остальные – промежуточные.

Классификация усилителей. Параметры и характеристики

В соответствии с характером изменений напряжения (тока), которые должны воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают 2 класса усилителей:

1. усилители постоянного тока. Усиливают сколь угодно медленные изменения входного напряжения (тока);

2. усилители переменного тока. Усиливают колебания с определенной частотой.

В зависимости от формы усиливаемых сигналов, их частоты и требований к сохранению тех или иных характеристик этих сигналов усилители подразделяются на ряд типов:

- усилители среднего значения. К ним предъявляются только требования прямой пропорциональности среднего значения напряжения (тока) в цепи нагрузки среднему значению входного напряжения (тока);

- широкополосные усилители. К ним предъявляются требования к одинаковости коэффициента усиления для синусоидальных колебаний различных частот при достаточно большой разнице между частотами.

Широкополосные усилители, предназначенные для работы в звуковом диапазоне, называются усилителями низкой частоты.

Широкополосные усилители, в которых осуществляется коррекция частотных искажений для различных гармонических составляющих входного сигнала, называются видеоусилителями. Разновидностью видеоусилителей являются импульсные усилители, предназначенные для усиления импульсных сигналов.

- избирательные усилители, служат для выделения отдельных гармонических сигналов существующих на фоне помех.

Усиление сигнала означает не только повышение уровня его мощности, но и сохранение в той или иной мере его формы.

Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала называются искажениями.

Различают искажения двух видов: линейные и нелинейные.

Линейные искажения появляются в результате воздействия реактивных элементов, емкостей и индуктивностей.

При подаче на вход идеального усилителя (т.е. не имеющего искажений) синусоидального сигнала и коэффициенте усиления K выходной сигнал будет равен .

При рассмотрении простейшей RC цепочки (рис. 3), можно записать

Модуль коэффициента передачи

Фаза равна

Очевидно, что и коэффициент передачи и фаза являются функциями частоты. Включение элементов R и C по схеме рис. 3а, вызывает уменьшение усиления с повышением частоты, а по схеме рис. 3б, уменьшение усиления с понижением частоты.

а)

б)

Рис. 3 Простейшие RC – цепи

В усилителе содержатся более сложные схемы соединения R и C, кроме того, добавляется влияние активных элементов. Поэтому зависимости коэффициента усиления и фазы от частоты получаются более сложные.

Для характеристики линейных искажений используются частотные характеристики - зависимости коэффициента усиления от частоты (рис. 4). При этом граничной частотой называется та частота, при которой усиление отклоняется на заданную величину от номинального, на низких частотах граничная частота F_н, а на верхних - F_в.

Рис. 4 Амплитудно – частотные характеристики усилителя

Обычно в усилителях граничные частоты определяют по уровню уменьшения усиления на 3 дб; для напряжения это 0,707, для мощности – 0,5.

Часто величину частотных искажений задают с помощью коэффициентов частотных искажений.

Тогда

Диапазон частот называется полосой пропускания усилителя.

В широкополосных усилителях различают области низших и высших частот, с большими амплитудными и частотными искажениями, и область средних частот, где искажения невелики.

При усилении импульсных сигналов частотной характеристики для анализа искажений недостаточно. Импульсы, как правило, состоят из участков с резко различными скоростями изменения (например, прямоугольный импульс). Очевидно, при усилении такого сигнала в каждой из точек излома будет происходить переходный процесс. Поэтому основная характеристика импульсного усилителя – переходная, его реакция на входной сигнал ступенчатой формы (рис. 5).

К линейным искажениям импульсного сигнала относятся: время запаздывания - время от начала подачи скачка напряжения до момента, когда амплитуда его достигает значения 0,5 от максимального, время нарастания - время изменения амплитуды напряжения от 0,1 до 0,9 от максимума и время спада - время изменения амплитуды напряжения от 0,9 до 0,1.

Частотные и переходные характеристики описывают один и тот же усилитель, но в условиях разной формы сигнала.

Рис. 5 Переходная характеристика усилителя

Из анализа работы схем рисунка 3 видно, что параллельное включение емкости С вызывает завал частотной характеристики в области верхних частот, определяемый величиной постоянной времени ; но при прохождении по цепи импульсного сигнала величина этой постоянной определяет время нарастания переднего фронта . Для практических целей используется соотношение .

Последовательное включение емкости С в совокупности с величиной сопротивления R, вызывает завал в области низших частот. На переходную характеристику величина постоянной времени влияет на скорость спада плоской вершины. Таким образом, малые искажения фронтов переходной характеристики означают хорошее воспроизведение высоких частот, а малые искажения плоской части - хорошее воспроизведение низких частот.

Нелинейные искажения. При входном сигнале синусоидальной формы выходной сигнал несинусоидален, т.е. в выходном сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие.

Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором).

где n - номер гармоники.

Нелинейные искажения появляются из-за нелинейности вольтамперных характеристик активных элементов, т.е. полное отсутствие нелинейных искажений в усилителе принципиально невозможно.

Качественно оценить наличие нелинейных искажений можно по амплитудной характеристике, зависимости выходного напряжения от входного (рис. 6). Видно, что увеличение амплитуды входного сигнала выше определенного предела не вызывает увеличения амплитуды выходного сигнала.

Рис. 6 Амплитудная характеристика усилителя

С амплитудной характеристикой связана еще одна важная характеристика усилителя - его динамический диапазон, способность усилителя усиливать без искажений входные сигналы с различными амплитудами.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с основными характеристиками усилителей.

2. Изучить причины появления искажений в усилителях.

3. Написать отчет (ответы на контрольные вопросы).

Контрольные вопросы

1. Усилитель. Принцип действия усилителя.

2. Виды усилителей. Коэффициент усиления.

3. Классификация усилителей.

4. Линейные искажения.

5. Амплитудно – частотная характеристика.

6. Переходная характеристика усилителя.

7. Нелинейные искажения.

Лабораторная работа № 2

“Изучение графоаналитического метода расчёта резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе”

Цель работы: Рассчитать резистивный однокаскадный усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе графоаналитическим методом.

Схема резистивного усилителя приведена на рис. 1.

Исходные данные для расчета:

1. диапазон усиливаемых частот ;

2. коэффициент частотных искажений ;

3. требуемый коэффициент усиления (или );

4. сопротивление нагрузки ;

5. выходное напряжение ;

6. напряжение источника питания ;

7. величина сопротивления в цепи коллектора .

Рис. 1 Схема однокаскадного резистивного усилителя

В начале расчета из условия обеспечения необходимого уровня частотных искажений, по справочнику выбирается транзистор по его предельной частоте усиления в схеме с общим эмиттером .

Далее выбирается режим работы по постоянному току, для чего строятся динамические характеристики.

Для построения динамических характеристик используются семейства входных и выходных характеристик выбранного транзистора, напряжение источника питания и сопротивление в коллекторной цепи . Уравнение динамической характеристики соответствует прямой АВ (рис. 2а).

Рис. 2а Графоаналитический расчет усилительного каскада. Выходные характеристики.

Точки А и В находятся приравниванием к нулю либо тока коллектора , либо напряжения на коллекторе .

Прямая АВ называется также нагрузочной прямой. Она может быть построена также под углом к оси коллекторного напряжения .

По нагрузочной прямой определяют пределы изменения коллекторного тока и коллекторного напряжения , исходя из допустимых нелинейных искажений. Для определения используют входные характеристики (рис. 2б).

Рис. 2б Графоаналитический расчет усилительного каскада. Входные характеристики.

Входная динамическая характеристика строится переносом точек С и Д, определяемых величинами тока базы и напряжения на коллекторе, с выходных характеристик на входные .

На середине участка находят точку Р - пересечение нагрузочной прямой со статической характеристикой - так называемую рабочую точку.

По положению рабочей точки можно определить необходимое напряжение смещения базы ( ).

При наличии внешней нагрузки , величина общего сопротивления нагрузки определяется параллельно соединенными резисторами , соответственно наклон динамической характеристики изменяется

Нагрузочная прямая по переменному току строится для

При достаточно больших амплитудах входных и выходных токов и напряжений (т.е. при возможности их графической фиксации) применяется графоаналитический метод расчета.

Используя динамические характеристики, находят необходимые пределы изменения

По результатам графических построений можно определить параметры усилительного каскада.

Входное сопротивление

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Порядок проведения работы.

Произвести расчет резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе графоаналитическим методом (по вариантам).

1 вариант 2 вариант 3 вариант

F_н = 50 Гц F_н = 100 Гц F_н = 200 Гц

F_в = 10 кГц F_в= 8 кГц F_в = 15 кГц

M_н = M_в=1.2 M_н=M_в=1.1 M_н = M_в = 1.3

K_U = 15 K_U =20 K_U = 10

R_н = 500 Ом R_н = 800 Ом R_н = 500 Ом

U_вых=2 В U_вых = 2 В U_вых = 1,5 В

E_к = 20 В E_к = 15 В E_к = 12 В

R_к = 1 кОм R_к = 1 кОм R_к = 1 кОм

Лабораторная работа №3

“Изучение аналитического метода расчёта резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе”

Цель работы: Рассчитать резистивный однокаскадный усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе аналитическим методом.

При малых уровнях усиливаемых сигналов расчет усилителя проводится аналитическим методом.

Для проведения расчетов электронных схем необходимо определить собственные параметры выбранного транзистора и его h-параметры в рабочей области, расположенной в пределах линейного участка динамической характеристики.

При известных h-параметрах можно определить собственные параметры из формул:

- для схемы с общим эмиттером

Далее составляется эквивалентная схема усилительного каскада (рис. 3).

Рис. 9 Эквивалентная схема усилительного каскада

В связи с тем, что расчет усилителя производится на средних частотах, разделительные емкости и в эквивалентной схеме не учитываются, их сопротивления в этой области малы.

Сопротивление нагрузки по переменному току

Сопротивление делителя по переменному току

- эквивалентный генератор тока, характеризующий передачу тока из цепи базы в коллекторную;

При изменения коллекторного тока равны изменениям эмиттерного тока. Изменения эмиттерного тока в раз больше соответствующих изменений тока базы.

Соответственно, параллельно эквивалентному генератору, во избежание ошибок, необходимо подключить сопротивление

Из анализа эквивалентной схемы можно записать:

- ток коллектора:

- входное сопротивление:

=

Т.к. обычно , то входное сопротивление усилите ля можно считать равным входному сопротивлению транзистора.

В схеме усилителя, возможно, что резистор не зашунтирован конденсатором . В этом случае, согласно эквивалентной схеме, входное сопротивление усилителя

Очевидно, что входное сопротивление усилителя значительно повысится.

Полное входное сопротивление усилителя с учетом делителя , состоящего из R₁ и R₂.

Коэффициент усиления напряжения:

Если r_к' >>R_кн. ; h_21э >>1

_Т - тепловой потенциал потенциального барьера;

_Т =

при Т=300 К _Т

В случае недостаточности коэффициента усиления необходимо выбрать другой транзистор и повторить расчет.

Коэффициент усиления тока:

Выходное сопротивление с учетом r’_к >>R_кн (при отключенной нагрузке на выходе)

Для нормальной работы транзистора в линейном усилительном режиме необходимо, чтобы между эммитером и базой было небольшое постоянное напряжение (напряжение смещения базы).

Для обеспечения напряжения смещения базы необходимо выбрать схему подачи смещения и определить величины номиналов резисторов.

Это напряжение может быть подано различным образом:

- схема с фиксированным базовым током (рис. 4);

Рис. 4 Схема с фиксированным базовым током

напряжение смещения

величина сопротивления резистора

Обычно и R ≈

- схема с фиксированным напряжением базы - эмиттер с помощью делителя (рис. 5);

Рис. 5 Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер

величина сопротивления резисторов определяется так:

и

Для большей стабильности в работе желательно, чтобы I_д > I_бо в 10 и более раз, однако, чтобы не слишком уменьшить входное сопротивление каскада, соблюдается условие I_д > I_бо в 3 5 раз.

В реальных условиях описанные схемы подачи смещения в цепь базы обладают очень низкими термостабильными свойствами и могут применяться лишь в диапазоне изменения температур, не превышающих 10÷30⁰ С. Изменение температуры ведет к изменению положения рабочей точки и, соответственно, изменению режима работы транзистора.

Для термостабилизации положения рабочей точки применяются отрицательные обратные связи по напряжению или току.

В схеме с коллекторной температурной стабилизацией (рис. 6) осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению за счет подключения резистора к коллектору тиристора с напряжением , а не к источнику питания .

Рис. 6 Схема коллекторной температурной стабилизации

Величина сопротивления резистора может быть определена .

Физический смысл коллекторной стабилизации состоит в уменьшении напряжения при температурном увеличении тока коллектора, соответствующем уменьшении тока базы и уменьшении первоначального значения тока коллектора.

Более эффективна схема с эммитерной температурной стабилизацией, сохраняющая работоспособность при изменении температуры на 50-70^оС (рис. 7). За счет отрицательной обратной связи по току температурное увеличение тока I_к, увеличивая I_э и падение напряжения на R_э, уменьшает напряжение смещения базы I_б и, соответственно, ток I_к.

Рис. 7 Схема эммитерной температурной стабилизации

Величины сопротивлений резисторов определяется следующим образом:

Расчет величины емкости разделительных конденсаторов C_р1 и С_р2 и емкости конденсатора, шунтирующего резистор R_э в эмиттерной цепи, С_э производится из необходимости обеспечения заданных частотных искажений по низким частотам.

Для наглядности можно построить по принципиальной схеме резистивного усилителя (рис. 8) эквивалентные схемы (рис. 9).

Рис. 8 Принципиальная схема двухкаскадного резистивного усилителя

а)

б)

Рис. 9 Эквивалентные схемы усилительного каскада

а) – для определения величины С_р1,

б) – для определения величины С_р2.

Учитывая, что каждый реактивный элемент в усилителе вносит свою долю частотных искажений, то необходимо рассматривать влияние каждого элемента в отдельности. Так, конденсатор С_р1, вносит частотные искажения с коэффициентом М_н1.

где

и

Соответственно, конденсатор С_р2 вносит частотные искажения с коэффициентом М_н2.

где

Постоянную времени эмиттерной цепи можно считать τ_сэ ≈ С_эr_э

и тогда

.

Результирующий коэффициент частотных искажений усилителя на низкой граничной частоте М_н = М_н1М_н2М_нэ.

Выбор транзистора для усилителя производится из условия обеспечения малых частотных искажений по высоким частотам. Тем не менее, на конечном этапе расчета усилителя, необходимо проверить величину получающихся частотных искажений.

Обычно учитываются два фактора – влияние емкости коллекторного перехода С_к и уменьшение коэффициента передачи тока базы h_21э на граничной частоте. В эквивалентной схеме с учетом усилительных свойств транзистора, учитывается емкость С_кэ

С_кэ = С_к(h_21э + 1)

Тогда - коэффициент частотных искажений за счет емкости.

τ_вс = С_кэR_о

где R_о – из эквивалентной схемы (рис. 10) параллельное соединение резисторов R_вых, R_к1, R’, R_вх2.

Коэффициент частотных искажений за счет h_21э.

- совпадает со средним временем жизни неосновных носителей в базе, берется из справочника.

Результирующий коэффициент частотных искажений усилителя на высокой граничной частоте .

В случае превышения полученного в расчете коэффициента частотных искажений М_в над заданным выбирается другой транзистор, либо меняется режим его работы в сторону уменьшения постоянной времени τ_вс.

Рис. 10 Эквивалентная схема усилительного каскада для определения высокочастотных искажений

Порядок проведения работы.

1. Произвести расчет резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе аналитическим методом. Для аналитического метода расчета все исходные данные те же, разница в выходных напряжениях.

1 вариант – U_вых = 40 мВ,

2 вариант – U_вых = 50 мВ,

3 вариант – U_вых = 30 мВ.

2. Произвести снятие следующих характеристик:

1.Зависимость коэффициента усиления от частоты K(f).

2. Зависимость выходного напряжения от входного напряжения U _вых(U_вх).

Контрольные вопросы.

1. Схема резистивного усилителя с транзистором.

2. Эквивалентная схема резистивного усилителя.

3. Назначение элементов и принцип действия усилителя.

4. Коэффициент усиления резистивного усилителя.

5. Амплитудно – частотная характеристика.

6. Фазочастотная характеристика.

7. Причины снижения К_и на низких частотах.

8. Причины снижения К_и на высоких частотах.

Литература

1. Основы промышленной электроники, В. С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифонюк: Киев, Высшая школа, 1985.

2. И. Г. Мамонкин. Усилительные устройства – М.: Связь 1977.

3. И. П Жеребцов. Основы электроники. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1985.

4. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова – М.: Энергия, 1976.