Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Лабораторная работа №5

Исследование усилительных каскадов

Цель работы

Изучение основных параметров и характеристик RC каскада.

Изучение переходных характеристик транзисторного усилительного RC каскада.

Теоретические сведения

В процессе преобразования и обработки информации, заложенной в электрических колебаниях, часто оказывается, что уровень мощности этих колебаний недостаточен для работы потребителя и возникает необходимость в его увеличении. Так, мощность радиосигнала на входе приемного устройства 10-14-10-26 Вт, а для работы оконечного прибора (например, громкоговорителя) обычно требуется мощность порядка одного или нескольких ватт. Таким образом, в приемном устройстве требуется усиление по мощности в 1014-1026 раз. Например, назначение усилителей радио- и промежуточной частоты – усилить принятый радиосигнал от напряжения измеряемого милливольтами, а чаще всего микровольтами, а иногда и миллионными долями микровольт, до напряжения, близкого к 1 В, необходимого для эффективной работы детектора.

Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

по виду используемого усилительного элемента – ламповые, транзисторные, усилители на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРИ, УПИ) и сверхвысокой частоты (СВЧ);

по ширине полосы усиливаемых частот – узкополосные, широкополосные усилители;

по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов;

по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения, тока, мощности;

по типу нагрузки – резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

В данной работе рассматривается резистивный усилитель, в котором явно

выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). В реальных условиях за счет реактивных элементов в схеме, в том числе и паразитных, нагрузка является не чисто активной, а комплексной.

RC усилительные каскады

Усилителем называется устройство, увеличивающее мощность входного

сигнала за счет энергии источника питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку усилителя. Рассмотрим линейный электронный усилитель, предназначенный для усиления электрических сигналов без изменения их формы. Усилитель можно представить как активный четырехполюсник, у которого вход и выход имеют общую точку (рис.2.1). К входным зажимам подключается источник усиливаемых электрических сигналов, к выходным – нагрузка.

 


Рис.2.1 Блок-схема электронного усилительного каскада

 На рис.2.1 источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения еr, с внутренним сопротивлением Rr, подключенного к входному сопротивлению усилителя Rвх. Со стороны выхода усилитель можно представить источником напряжения Е, с внутренним сопротивлением Rвых, к которому подключена нагрузка Rн. Основными параметрами усилителя являются:

коэффициент усиления по напряжению Кu=uвых/ еr;

коэффициент усиления по току Кi=iвых/ iвх;

коэффициент усиления по мощности Кр=Рвых/ Рвх.

 При усилении электрических сигналов кроме увеличения амплитуды происходит сдвиг фаз между входным и выходным сигналами. В связи с этим коэффициент усиления является комплексной величиной.

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала.

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного называются искажениями, которые бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы (uвых(t)= um·sin ωt) выходной сигнал не является синусоидальным, в нем кроме основной гармоники появляется ряд высших гармоник. Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Возникновение нелинейных искажений на примере амплитудной характеристики транзистора UВых=ƒ(uвх) показано на рис.2.2.

UВых Uk

Рис.2.2 Иллюстрация возникновения нелинейных искажений

Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой. Максимальную величину входного сигнала, при котором амплитудная характеристика uвых = К u· uвх отклоняется от идеальной (линейной) в допустимых пределах, принято называть динамическим диапазоном усилителя по входу.

 Линейные искажения обусловлены в основном частотозависимыми сопротивлениями (емкостное и индуктивное) и элементами, имеющими частотозависимые коэффициенты передачи (α и β транзистора). Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Линейные искажения проявляются в искажении формы выходного сигнала, имеющего сложный спектральный состав. В этом случае составляющие разных частот будут усиливаться не одинаково, различным для них будет и сдвиг фаз. Не одинаковое усиление составляющих разных частот и различие их фазовых сдвигов на выходе усилителя называют частотными и фазовыми искажениями соответственно. На рис.2.3 показано фазо-частотная характеристика усилителя: пунктирная линия – для идеального, сплошная - для реального усилителя.

Рис.2.3 Фазо-частотная характеристика усилителя

Рис.2.4 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

  Для усилителя без искажений в диапазоне усиливаемых частот идеальная амплитудно-частотная характеристика должна быть горизонтальной прямой, амплитудно-частотные характеристики  реальных усилителей имеют «завалы» в области высоких и низких частот. При оценке неравномерности частотной характеристики усилителя пользуются коэффициентом частотных искажений М, дающим количественную оценку этих искажений М=К0/К, где К – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте (рис.2.4). В большинстве случаев принято М=1/√2. Тогда частоты, на которых наблюдается такой коэффициент неравномерности, называют нижней и верхней граничными частотами соответственно. Диапазон частот (fв - fн) называется полосой пропускания.

  Для анализа и расчета основных характеристик, усилительный каскад целесообразно представить линейным активным четырехполюсником, который имеет два входных и два выходных зажимов. Транзистор же имеет три вывода, поэтому один из выводов обязательно должен быть общим для входа и выхода. Число возможных способов включения транзистора равно шести.

Входное и выходное сопротивления каскада Расчет входного и выходного сопротивление каскада удобно проводить по более наглядной физической Т-образной эквивалентной схеме

Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР «Схемотехника транзисторов».


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов