Работа усилителя характеризуется следующими параметрами

Коэффициент усиления по напряжению (току) или мощности представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока) или мощности на выходе усилителя к действующему значению напряжения (тока) или мощности на его входе:

( 1 )

Для повышения коэффициента усиления применяют многокаскадные схемы усиления с резистивно-емкостной (RC), гальванической и трансформаторной связью между каскадами. В усилителях низкой частоты (f = 20 … 20000 Гц) широко используется RC связь между каскадами (рис.4).

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усилителя отдельных каскадов: К = К₁К₂К₃.

Амплитудная характеристика усилителя (рис.5) представляет собой зависимость действующего значения напряжения на выходе от действующего значения напряжения на входе при постоянной частоте сигналов: U_ВЫХ = F(U_ВХ); f = const. При значениях U_ВХ £ U¢_ВХ амплитудная характеристика близка к линейной вследствие линейности рабочего участка переходной характеристики транзистора. Большие значения входного напряжения вызывают нелинейные искажения выходного сигнала, так как при этом транзистор будет работать так же в режимах насыщения и отсечки.

Частотная характеристика усилителя определяется как зависимость коэффициента его усиления от частоты входного сигнала при постоянном действующем значении напряжения на входе:К = F(f); U_ВХ = const (рис.6)

Она характеризует частотные свойства усилителя, т.е. способ-ность его усиливать сигналы в определённом диапазоне частот, называемом полосой пропускания: Df = f_B – f_H, где f_B и f_H – соответственно верхняя и нижняя граничные частоты, на которых коэффициент усиления уменьша-ется не более чем в раз. Уменьшение К на низких частотах вызвано влиянием разделительных конденсаторов С_р1, С_р2, …, сопротивление которых на данных частотах велико. На высоких частотах уменьшение коэффициента усиления происходит вследствие шунтирующего действия паразитных ёмкостей р - п переходов транзистора и монтажа. Для удобства построения частотной характеристики значение частот откладываются в логарифмическом масштабе.

Обратной связью (ОС) называют воздействие части выходного сигнала на вход усилителя (рис.7). Если сигнал ОС увеличивает напряжение U₁, поступающее на вход усилителя, то обратная связь называется положительной (ПОС). Если же сигнал ОС вычитается из входного напряжения, то обратная связь называется отрицательной (ООС). Коэффициент усиления усилителя с ОС (рис.7)

( 2 )

где К = U_ВЫХ / U₁ – коэффициент усиления каскада без обратной связи; b = U_ОС / U_ВЫХ – коэффициент передачи звена ОС. Знак «+» – для отрицательной ОС, знак «-» – для положительной. Из формулы ( 2 ) следует, что положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя, а отрицательная ОС – уменьшает. Однако, несмотря на это, отрицательная обратная связь широко применяется в усилителях, так как она позволяет существенно улучшить многие его свойства. Во-первых, она увеличивает стабильность коэффициента усиления каскада при изменении параметров транзистора в зависимости от температуры и других факторов. Продифференцируем выражение ( 2 ) по К:

( 3 )

Из формулы ( 3 ) вытекает, что, например, колебания температуры вызывают изменения коэффициента усиления усилителя с обратной связью DК_ОС » dK_ОС в (1+bК)² раз меньше, чем изменения DК » dK усилителя без обратной связи. Во-вторых, отрицательная обратная связь позволяет снизить уровень нелинейных искажений сигналов и расширить полосу пропускания усилителя.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является четырёхкаскадный транзисторный усилитель с резистивно-емкостной связью между каскадами. Усилитель смонтирован на плате №1 лабораторного стенда. Принципиальная электрическая схема усилителя приведена на рис.8.

Усилительные каскады собраны на транзисторах в составе интегральных микросхем DA1, DA2, каждая из которых представляет собой двухкаскадный усилитель на биполярных транзисторах. Кроме микросхем, исследуемый усилитель включает в себя дополнительные элементы, обеспечивающие его работоспособность: резисторы R_Э1, R_Э2, R_Б; конденсаторы С_р1, С_р2, С_р3, С_Э1.

Питающее напряжение на усилитель подаётся выключателем В1-1. Индикатором наличия напряжения является лампа Л. На входе и выходе усилителя установлены клеммы (гнёзда) для подключения электронных приборов. В качестве источника входного усиливаемого сигнала применяется электронный генератор синусоидальных напряжений. Для наблюдения формы входного и выходного сигналов используется электронный осциллограф. Изменение напряжений осуществляется с помощью электронного вольтметра (милливольтметра).

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Проверка работоспособности усилителя. Соединить электронные приборы согласно схеме на рис.9 (прил.). Включить электронные приборы и после их прогрева (3-5 мин) установить на выходе генератора синусоидальных колебаний напряжение U = 0,05 В с частотой f = 2000 Гц. Подать напряжение на стенд, включив тумблер В1 на центральной панели стенда, включить тумблеры В1-1 и В1-2 на плате №1, при этом должны загореться соответствующие сигнальные лампы. Подключить осциллограф к входным клеммам усилителя и проверить наличие на них синусоидального напряжения. Вращением ручки «Усиление Y» осциллографа добиться изображение сигнала с амплитудой в 0,5 деления (клеточки) экрана осциллографа и зарисовать осциллограммы в протокол испытания (рис.10). Подключив осциллограф к выходу усилителя, убедиться, что выходной синусоидальный сигнал существует и его амплитуда значительно больше амплитуды входного напряжения. Зарисовать осциллограмму данного сигнала в протокол испытаний (рис.11).

После завершения эксперимента осциллограф отключить.

2. Снятие амплитудной характеристики усилителя – зависимости U_ВЫХ = F(U_ВХ) при f = 2000 Гц. Изменяя с помощью генератора действующее значение напряжения на входе усилителя от 0 до 300 мВ, снимать показания вольтметра генератора и электронного вольтметра (U_ВЫХ) и заносить их в табл.1 (прил.).

3. Снятие частотных характеристик усилителя – зависимостей К от f при U_ВХ = const для работы усилителя без ООС и с ООС. Установить на входе усилителя напряжение U_ВХ = 0,05 В и с помощью ручки «Регулировка вых.» генератора поддерживать его постоянным в процессе опыта. Установить переключатель В1-2 в положение «Вкл.» (ООС отключена). Изменяя частоту сигнала от 20 Гц до 200000 Гц, фиксировать электронным вольтметром величину напряжения на входе усилителя. Результаты измерений записать в табл.2 (прил.). Установить переключатель В1-2 в положение «Выкл.» (ООС включена) и повторить данный опыт.

4. Значение экспериментальных данных согласовать с преподавателем, отключить стенд, приборы и разобрать цепь.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРЕМЕНТА

1. По данным табл.1 на рис.12 (прил.) построить амплитудную характеристику усилителя. По ней определить диапазон напряжений входного сигнала, для которого отсутствуют искажения формы усиливаемого сигнала. Вычислить коэффициент усиления усилителя при работе в данном диапазоне.

2. Вычислить по данным табл.2 значения коэффициента усиления для различных частот. Результаты занести в табл.2 и построить по ним на рис.13 частотные характеристики усилителя без ООС и с ООС. Определить полосы пропускания усилителя без ООС и с ООС и сравнить их.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить назначение элементов усилителя (рис.1).

2. Используя переходную характеристику транзистора, объяснить усилительные свойства транзистора.

3. Какие меры применяются для обеспечения работы транзистора в режиме усиления?

4. Пояснить назначение резистора R_К в схеме усилителя.

5. Объяснить принцип действия простейшего полупроводникового усилителя (рис.1).

6. Назвать основные параметры и характеристики усилителя, условия их определения.

7. Как можно увеличить коэффициент усиления усилителя?

8. Как объяснить характер амплитудной характеристики усилителя?

9. Объяснить характер частотной характеристики усилителя.

10. Что такое полоса пропускания усилителя?

11. Что такое обратная связь, какие виды ОС существуют?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.С., Немцов М.В., Электротехника – М.: Энергоатомиздат, 1983. – С. 222-228.

2. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – С. 91-98, 118-120.

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

к лабораторной работе №11 «Исследование полупроводникового

усилителя переменного напряжения»

1.

Проверка работоспособности усилителя

2. Снятие амплитудной характеристики усилителя

Таблица 1

UВХ, mB
UВЫХ, mB

3. Снятие частотной характеристики усилителя без ООС и с ООС при U_ВХ = 0,05 В

Таблица 2

f, Гц
UВЫХ, В без ООС
UВЫХ, В С ООС
К без ООС
К с ООС

Окончание приложения

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Амплитудная характеристика усилителя

U_ВЫХ, B U¢_ВХ = К =

Рис.12 U_ВХ, mB

2. Частотная характеристика усилителя

К

10 20 50 100 200 500 10³ 2×10³ 5×10³ 10⁴ 2×10⁴ 5×10⁴ 10⁵ 2×10⁵ 5×10⁵ 10⁶

Рис.13 f, Гц

Полоса пропускания:

без ООС f_H = f_B = Df =

с ООС f_H = f_B = Df =

Краткие выводы по работе

Группа ____________ Студент ____________________ Дата __________

Преподаватель __________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11а

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

3. Изучить схемы и принцип работы параметрического и компенсационного стабилизаторов постоянного напряжения.

4. Исследовать основные характеристики стабилизаторов.