Применение виртуальных приборов при изучении принципов построения и анализа электронных усилителей

Базовым объектом при изучении электронных усилителей является усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Исследуемая схема (рис. 3.2) представляет собой элементарный инвертирующий усилитель, построенный на биполярном транзисторе КТ 315 с типом проводимости n-p-n. Он служит для регулирования передаваемой на выход энергии мощного источника питания с постоянным напряжением Е_ПИТ под действием маломощного управляющего входного сигнала усилителя с заданным законом изменения U_ВХ. Транзистор включен по наиболее распространенной схеме – с общим эмиттером, так как она позволяет усиливать входной сигнал по всем трем параметрам – по напряжению, току и мощности. Две другие схемы включения – с общей базой и общим коллектором используются реже и позволяют усиливать входной сигнал только по двум параметрам – по напряжению и мощности – в схеме с общей базой, и по току и мощности – в схеме с общим коллектором.

Конденсаторы C₁и C₂ – разделительные. C₁ служит для разделения источника входного сигнала и источника питания усилительного каскада с целью исключения их взаимодействия. C₂ служит для разделения выхода усилительного каскада и источника питания с целью установления однозначного соответствия между входным и выходным сигналом в линейной области усиления по выражению

UВЫХ  KU UВХ ,

где K_U – коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада – основной параметр усилителя. Резисторы R₁ и R₂ служат в качестве делителя напряжения источника питания Е_ПИТ с целью задания режима покоя транзистора в классе усиления А.

Положение точки покоя подбирается опытным путем с помощью переменного резистора R₂. Резистор R_К служит для ограничения тока коллектора транзистора.

Для стабилизации выходного сигнала в цепь эмиттера включают резистор R_Э, выполняющий функцию звена отрицательной обратной связи (ООС) по току. Из-за падения напряжения на нем выходное напряжение уменьшается. Для компенсации этого уменьшения R_Э шунтируют конденсатором С_Э по переменной составляющей выходного напряжения. В данной работе цепь стабилизации отсутствует для упрощения анализа работы схемы.

Важнейшими характеристиками электронных усилителей являются:

• Амплитудная характеристика, которая характеризует нелинейные искажения выходного сигнала и их зависимость от амплитуды входного сигнала из-за нелинейности ВАХ регулирующего транзистора.

• Частотные характеристики: амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ), которые характеризуют линейные искажения выходного сигнала из-за влияния линейных частотозависимых реактивных элементов схемы на выходной сигнал усилителя. Эти элементы могут входить в схему усилителя, например, в виде конденсаторов и катушек, а также присутствуют в виде паразитных емкостей и индуктивностей различных участков схемы. Паразитная природа этих элементов, имеющих ничтожные значения, проявляется с ростом частоты усиливаемого сигнала, когда их реактивные сопротивления оказывают заметное влияние на выходной сигнал.

Рис. 3.2. Схема элементарного инвертирующего усилителя на биполярном транзисторе

3.2.1. Задание на самостоятельную работу

Соберите на макетной панели станции ELVIS схему усилительного каскада на биполярном транзисторе (рис. 3.2) и подключите ее к источнику входного сигнала. Для этого нужно соединить полюс 1 схемы с гнездом выхода функционального генератора (FUNC_OUT) на макетной панели. Выход схемы усилительного каскада (полюс 2) следует соединить с гнездом нулевого канала аналоговых входов (ACH0+) на макетной панели.

Для питания усилителя подключите полюс Е_ПИТ +5В схемы к источнику постоянного напряжения (DC Power) +5В на макетной панели, а общую точку схемы подключите к гнезду GROUND. Включите питание станции.

Запустите виртуальный прибор – осциллограф. На виртуальной панели осциллографа установить указанные ниже параметры.

По каналу А: Состояние канала – включен (Display ON). Выбрать в качестве источника входного сигнала (Source) канала А выход функционального генератора (FGEN FUNC_OUT). Масштаб по вертикали (Scale) – 100mV/dv. Тип входа (Coupling) – AC (вход только переменной составляющей сигнала - закрытый вход).

По каналу В: Состояние канала – отключен (Display OFF). Источник входного сигнала канала В – аналоговый канал ACH0. Масштаб по вертикали – 500 mV/dv. Тип входа – AC.

С помощью ручки TIMEBASE установите масштаб временной развертки по обоим каналам 1ms/dv. Включить курсоры (CURSORS), выбрав положение ON, и кнопкой Run запустить осциллограф.

Включите функциональный генератор в ручной режим – установите движковый переключатель MANUAL в положение «вверх». Выберите синусоидальную форму генерируемого сигнала. С помощью органов управления амплитудой (Amplitude) сигнала, его частотой – с дискретным переключением диапазонов (Coarse Frequency) и с плавным регулированием (Fine Frequency) – установите амплитуду примерно 100 мВ и частоту 500 Гц. Значения параметров контролируйте с помощью канала А осциллографа.

Задайте режим покоя усилительного каскада в классе А. Для этого на виртуальной панели осциллографа включите канал В кнопкой Display ON для наблюдения выходного сигнала усилительного каскада. Если выходной сигнал отсутствует или отличается от синусоидальной формы, то с помощью переменного резистора R₂ схемы усилительного каскада и ручки управления амплитудой функционального генератора станции необходимо добиться симметричности синусоиды выходного сигнала относительно оси времени. После установки такого состояния можно считать, что задан режим покоя транзистора в классе усиления А, а входной и выходной сигналы будут выглядеть как на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Входной и выходной сигналы

Запишите параметры входного и выходного сигналов усилительного каскада в классе усиления А: амплитуду, частоту, а также смещение их по фазе. Смещение по фазе удобнее измерить с помощью курсоров. Сделайте вывод, является ли усилительный каскад инвертирующим или неинвертирующим, а также укажите соотношение между фазами входного и выходного сигналов.

С помощью виртуального мультиметра измерьте и запишите сопротивление переменного резистора R₂ .

Снимите и исследуйте амплитудную характеристику усилительного каскада – зависимость выходного напряжения усилителя от входного U_ВЫХ= f(U_ВХ) на некоторой постоянной частоте.

Типичный вид амплитудной характеристики представлен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Вид амплитудной характеристики

Для снятия амплитудной характеристики необходимо:

• зафиксировать частоту входного сигнала;

• с помощью ручки управления амплитудой станции ELVIS изменять U_ВХ в линейной области амплитудной характеристики (до появления искажений синусоиды) и в нелинейной области (в области искажений синусоиды);

• с помощью осциллографа измерять соответствующие пары значений амплитуд U_ВХ и U_ВЫХ.

Для снятия характеристики требуется не менее 5-7 опытных точек, из которых 3-4 точки нужно получить в нелинейной области амплитудной характеристики.

По результатам опыта постройте амплитудную характеристику и рассчитайте коэффициенты усиления по напряжению для каждого измерения.

Снимите и исследуйте частотные характеристики усилительного каскада.

1. Снимите АЧХ УК. Типичный ее вид представлен на рис. 3.5.

Для снятия АЧХ:

• Установить амплитуду U_ВХ примерно 100мВ.

• Задавать различные значения частоты входного сигнала в диапазоне 0100 кГц и измерять соответствующие им значения амплитуды

U_ВЫХ. Частоту и амплитуду U_ВЫХ контролировать с помощью осциллографа..

f

н

f

в

К

│

К

U

│

f

К

/

√2

Δ

f

область СЧ

область НЧ

область ВЧ

Рис. 3.5. Типичный вид АЧХ УК

По результатам опыта постройте АЧХ усилителя и определите полосу его пропускания Δf.

2. Снимите ФЧХ УК. Типичный вид ФЧХ представлен на рис.3.6.

обл. НЧ

+90º

φ

обл. СЧ

обл.ВЧ

0º f

-90º

Рис. 3.6. Типичный вид ФЧХ

Для снятия ФЧХ:

• зафиксируйте амплитуду U_ВХ;

• задавайте различные значения частоты входного сигнала в диапазоне 0100 кГц и измеряйте соответствующие им значения сдвига фазы между входным и выходным сигналами. Сдвиг фазы измеряйте с помощью курсоров. Для этого установите курсор С1 на входном, а С2 – на выходном сигналах в одинаковых фазах и измерьте промежуток времени между ними (обозначим его dTφ). Тогда сдвиг фазы (Φ) можно определить по выражению

Φ[град.] = dTφ ∙ 180 / dTπ, где dTπ – половина периода входного сигнала (измерьте с помощью курсоров).

Результаты измерения занесите в табл. 3.1 и постройте ФЧХ усилителя.

Таблица 3.1

№ изме- рения	f, кГц	Φ, град.
1
…
7

3. Снимите и исследуйте частотные характеристики усилительного каскада с помощью виртуального прибора – анализатора частотных характеристик. Для этого дополнительно соедините выход функционального генератора (FUNC_OUT) с гнездом первого канала (ACH1+) аналоговых входов на макетной панели.

На виртуальной панели прибора в поле Settings установите частотный диапазон входного сигнала в интервале 1 Гц (Start) – 35 кГц (Stop). Переключателем Steps задайте 5-10 опытных точек графика на декаду частотного интервала. Переключателем Peak Amplitude установите амплитуду U_ВХ примерно 100 мВ. В поле Display задайте масштаб отображения данных на графиках по вертикали (Y Scale) – с помощью опций из раскрывающегося списка выберите Auto. При этом масштаб для обоих графиков выбирается автоматически.

Кнопкой Run запустите процесс снятия частотных характеристик. Их примерный вид представлен на рис. 2.7.

С помощью кнопки Log сохраните опытные точки графиков в текстовом файле.

Сравните графики частотных характеристик, полученные с помощью осциллографа и с помощью анализатора частотных характеристик.

3.2.2. Контрольные вопросы

1. Виртуальные приборы, используемые в работе.

2. Порядок сборки и подключения схемы усилительного каскада.

3. Задание режима покоя усилительного каскада в классе А.

4. Понятия амплитудной и частотных характеристик усилительного каскада, а также порядок их снятия.