Лабораторная работа Усилители. Исследование схем усилителя переменного тока. Цель работы

• Название: Исследование схем усилителя переменного тока. Цель работы
• Анкор: Лабораторная работа Усилители
• Дата: 03.06.2022
• Размер: 103.46 Kb.
• Имя файла: LR11.docx
• Тип: Исследование; #566612

Лабораторная работа 11. Исследование схем усилителя переменного тока.

Цель работы

Изучить свойства транзисторного усилительно­го каскада на дискретных элементах, исследовать влияние обрат­ных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

• 
  усилители постоянного тока (ЖЕ),
  
• 
  усилители низкой частоты (УНЧ),
  
• 
  усилители высокой частоты (УВЧ),
  
• 
  избирательные усилители,
  
• 
  широкополосные (видеоусилители),
  
• 
  импульсные,
  
• 
  операционные и т.д.
  

Операционные усилители относятся к классу многофункцио­нальных, или универсальных, так как с их помощью можно реализо­вать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усили­тельного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора мо­жет быть использовано для различных преобразований электри­ческих сигналов (усиление, генерирование, преобразователей фор­мы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойст­вами и другими признаками.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п,  и имеющий два р- п- перехода. На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 11.1б изображена схема подключе­ния внешних элементов, генератора усиливаемого входного напря­жения U_ВХ и  источника питания +U_n к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзи­сторов, так как в ней наилучшим образом используются усилитель­ные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые использу­ются реже.

 



Рисунок 11.1
Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му  закону Кирхгофа для транзистора мож­но записать

,

т.е. ток коллектора I_к меньше тока эмиттера I_Э на величину тока базы I_Б. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина   всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов   = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной является ток базы, а выходной - ток коллектора. Используя соотноше­ния (1) и (2), получаем

.

Коэффициент   называют статическим коэффициентом усиле­ния тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

  

Рисунок 11.2  Рисунок 11.3         

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзис- тора в схеме с ОЭ являются:

                  а) входные характеристики (рис. 11.2)

                             при  

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 11.3)

                             при 

Входные характеристики при U_KЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для U_KЭ = 0 В  и U_КЭ=3 В, либо U_KЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с I_Б=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения I_Бнас. При I_в= I_Бнастранзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыщения и отсечки (см. линии со штриховкой на рис.11.3).В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом.

На входные и выходные характеристики транзистора (см. рис.11.2 и 11.3) существенно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквивалентно поднимаются вверх (см. рис.11.3).

В справочниках [I] приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока   (или  ) в схеме с ОЭ; граничное напряжение U_KЭ; обратный ток коллектора I_К0; граничная частота fгр коэффициента  , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент    (или  ) уменьшается в   раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 11.4). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяе­мые между базой и эмиттером транзистора, а также источник вход­ного сигнала U_BХ.



                                                   Рисунок 11.4

Выходная цепь каскада включает источник питания U_n, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока i_K, управляемого током ба­зы i_g, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исклю­чить протекание постоянного тока через источник входного сигна­ла по цепи + U_n— R_l- внутреннее сопротивление источника  и_в (на рис.11.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U_Bnв режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источ­ника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллек-торной цепи Г (см. рис11.3) задается соответствующей величиной тока базы покоя r_gn (см. рис.11.2), протекающего о сточника питания U_nчерез резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения пита­ния   U, часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значениюU_бп  (см. рис.11.2). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вно­симых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняет­ся, если точка покоя П (см. рис.11.2 и 11.3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше необходимого тока покоя базы   I_БП.

Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор С_Э шунтирует рези­стор Р по переменному току, исключая тем самым проявление от­рицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие С_Э приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение, например, по синусоидальному закону: 



При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток i_б в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относитель­но точки покоя П (см. рис.11.2, 11.3). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллекто­ра, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоаналитический метод расче­та нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.

Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:

       (4)

Величина  незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение

       (5)

Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах I_к и U_кэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах I_K и U_кэ, на­зывается линией нагрузки каскада по постоянному току (см. пря­мую линию на рис.11.3). Точка пересечения этой линии с характе­ристикой, соответствующей I_6п, т.е. точка П, определяет ре­жим работы каcкада по постоянному току.

В режиме усиления, когда Uвх=Uвх sinωt, рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллекто­ра iк и напряжения U_КЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения U_КЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх  находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основ­ных свойств такого каскада.

Основным показателем любого усилителя является его коэффи­циент усиления - это величина, равная отношению выходного сиг­нала к входному. В зависимости от назначения усилителя различа­ют коэффициенты усиления по напряжению

Ввиду наличия в схеме каскада элементов, параметры которых зависят от частоты, в общем случае коэффициент усиления являет­ся комплексной величиной К=Ке , где К - модуль коэффи­циента усиления, а у - аргумент, показывающий угол сдвига по фазе между выходным и входным сигналами.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.11.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относитель­но точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рис. 2). При Uвх>Uвх2  линейность амплитудной характе- ристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзи­стора.

Рисунок 11.5

Это приводит к появлению искажений формы выходного сиг­нала относительно формы входно­го, т.е. так называемых, нели­нейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды вход­ного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя пред­ставляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рис. 11.6.

 

Рисунок 11.6

                                                

Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элемен­тов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры кото­рых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных иска­жениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различны­ми коэффициентами усиления. Анализируя рис.6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом К_V0.

Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500...1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые "завалы" АЧХ).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называ­ют полосой пропускания, которая определяет нижнюю f_H и верхнюю f_a граничные частоты усиления при заданном уровне частот­ных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет K_Vo /√2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обуслов­лен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсато­ра Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление х_С=1/ωС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления х_с возрастают, что приводит к увели­чению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора С_э при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя­зи по переменному току и снижению коэффициента усиления кас­када.

"Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтирова­нии соответствующих р- п- переходов тем большем, чем выше ча­стота усиливаемого сигнала.

На практике ни один усилитель не используется без обрат­ной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

На рис. 11.7 показана структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиле­ния К через звено ОС с коэффициентом передачи γ поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут вхо­дить линейные, нелинейные, ча­стотно-зависимые и другие эле­менты или даже целые устройст­ва.

   

Рисунок 11.7

                                        

Существует целый ряд ква­лификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то ис­пользуется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во вто­ром - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складыва­ются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается после­довательно с напряжением источника входного сигнала (рис.11.8а), а во втором - параллельно (рис.11.86).


Рисунок 11.8
                                      

В усилителях в основном используется отрицательная обрат­ная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рис. 11.8а показан усилитель, охва­ченный последовательной отрицательной обратной связью по на­пряжению. Оценим свойства такого усилителя.

Уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входной цепи усилителя имеет вид



Разделим обе части (6) на



 

Введём обозначения:

       - коэффициент усиления усилителя без ОС.

        - коэффициент передачи звена ОС.

   - коэффициент усиления усилителя с ОС.

После преобразований получаем



Выражение (7) показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практи­чески это единственное негативное свойство ООС. Однако если γ К>>1, а этого достичь очень просто, то К_OC =1 /γ, т.е. результирующий коэффициент усиления К_OC  не зависит от К, а следовательно, и от всех факторов, влияющих на его величину, т.е. существенно повышается стабильность К_OC. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания (рис.11.9) и линейный участок ампли­тудной характеристики (рис.11.10), что приводит к уменьшению ис­кажений как линейных, так и нелинейных.

 

Рис. 9       Рисунок 11.10

                                                                     

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис.11.4) применена ООС по току эмиттера, а резистор £ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется введением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера I_ЭП.

В режиме покоя, когда U_ВХ=0 , с учетом I_Д>>I_БП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирх­гофа можно записать



С изменением температуры изменится ток покоя транзистора I_КП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера I_ЭП(например, возра­стут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на вы­ходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может приве­сти к увеличению I_БП и U_БЭП, на входных характеристиках (см. рис.11.2). Так как  I_Д>>I_БП, можно полагать I_Д R2= const.

Из (8) очевидно уменьшение U_БЭП, а, следовательно, уменьшение I_БП, что приводит к снижению  I_КП и к неизменности ре­жима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффи­циент усиления параллельно   R_э включен конденсатор С_Э, ем­кость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактив­ное сопротивление в полосе пропускания  Х_CЭ << R_Э /10.

Если же С_Э отсутствует, то переменная составляющая тока эмит­тера Iэ      создает на резисторе R падение напряжения 

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с входным дифференциальным каскадом, с очень высоким и стабильным коэф­фициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропус­кания (от 0 до 10...100 МГц), высоким входным сопротивлением ( R_Вых>10 кОм) и малым выходным сопротивлением ( R_вых<100 Ом).

Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назна­чения (различные типы усилителей - УПТ, УШ, УВЧ и др., гене­раторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных уст­ройств). СУ в настоящее время выпускаются только в микро­электронном (интегральном) исполнении и считаются базовым эле­ментом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой на­дежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

 

  Рисунок 11.11     Рисунок 11.12

                                                       

В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис. 11.11 показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.11.12 - типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.11.11), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При по­даче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Усилитель­ные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом - эмиттерный повторитель тока. Применение двух разнополярных источни­ков электропитания с общей точкой - U_n для ОУ позволяет полу­чать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как пра­вило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивле­ние R, выходное сопротивление U_вых. Идеальным ОУ назы­вают такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.11.12), выполнен в пред­положении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охвачен­ного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

  (см. рис. 12).

Для идеального ОУ имеем  , следовательно,  ; , т.е.  , и тогда по 1-му закону Кирхгофа  . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа  ;  , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением  . Далее,  ,  ; так как  , получаем:

       

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых  находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:



  

 Рисунок 11.13

                                                

Амплитудно-частотная характеристика реального операцион­ного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 11.13. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффицинта усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.
Контрольные вопросы

1.    Что называется электронным усилителем? Объяснить прин­цип действия усилителя.

2.    Перечислить основные параметры и характеристики усили­теля.

3.    Объяснить назначение элементов, входящих в схему уси­лительного каскада на транзисторе.

4.Что такое обратная связь? Как она влияет на параметры и характеристики усилителя?

6.Как осуществляется температурная стабилизация в усили­теле?

7.Что называется операционным усилителем? Каково его условное обозначение?

9.Что представляет собой операционный усилитель в интег­ральном исполнении?

10.Назовите возможные области применения электронных усилителей.