Однокаскадный усилитель низкой частоты

Лабораторная работа

"Однокаскадный усилитель низкой частоты"

Полянчев С., Коротков Р.

Цель работы: Изучение схемы резистивно-ёмкостного усилительного каскада на биполярном транзисторе и экспериментальное определение основных характеристик усилителей.

Теоретическая часть.

1. Основные характеристики усилителей

Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счёт энергии вспомогательного источника. Хотя в любом усилителе происходит усиление мощности сигнала, на практике выделяют три группы усилителей: напряжения, тока и мощности. В соответствии с этим делением различают коэффициенты усиления по направлению, по току и по мощности.

Коэффициент усиления по напряжению или, ещё говорят, коэффициент передачи напряжения K_u – это отношение выходного напряжения

Ъ_вых=U_вых усилителя к его входному напряжению Ъ_вход=U_вход:

K_u===K_ue^jφ,

где K_u= - называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя, а φ(ω)=φ₂-φ₁ – фазово-частотной характеристикой.

Аналогично вводятся коэффициенты усиления по току и по мощности:

K_I=; K_P=.

Одной из важных характеристик усилительного каскада является его амплитудная характеристика: зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала. На рис.1 приведены частотная (а), фазовая (б) и амплитудная (в) характеристики идеального (пунктирная кривая) и реального (сплошная линия) усилителей.

рис.1

На рис. 1а Δω=ω_B-ω_H называется полосой пропускания усилительного каскада.

Усилительный каскад является элементом некоторой радиотехнической схемы – ко входу усилителя подключается источник сигнала, а к выходу – нагрузка. Для согласования усилителя с названными элементами , а также для анализа работы каскада необходимо знать входное и выходное сопротивление усилителя.

Входным сопротивлением усилителя называется сопротивление между его входными зажимами при воздействии усиливаемого сигнала, т.е.

Z_вх=, аналогично выходное сопротивление каскада Z_вых=.

2. Задание режима работы транзистора по постоянному току фиксированным током базы в схемах с общим эмиттером

Схема однокаскадного усилителя, пригодного для практического применения, приведена на рис.2.

Рис. 2

Конденсаторы с₁ и с₂ служат для разделения по постоянному току усилителя и источника сигнала. Сопротивления R_б и R_к требуются для создания необходимых постоянных напряжений между электродами транзистора. При этом абсолютные значения напряжений на том или ином выводе, как правило, не играют существенной роли, важны лишь относительные значения. Только после создания требуемых постоянных напряжений между отдельными электродами транзистора или, как говорят, режима схемы по постоянному току, возможна нормальная работа усилительного каскада.

Для выбора режима работы транзистора необходимо знать семейство его выходных характеристик, т.е. зависимость тока коллектора I_к от напряжения эмиттер-коллектор U_эк, для различных фиксированных значений тока базы I_б. Потребуется, также, величина коэффициента передачи тока базы для выбранного транзистора:

β=.

На рис.3 приведено семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора и нагрузочная прямая.

рис.3

Точки пересечения нагрузочной прямой, уравнение которой задаётся выбором E и R_к, определяют постоянные токи и напряжения в схеме для фиксированного тока базы. На рис.3 выбранные величины помечены звёздочками. Точка B носит название рабочей точки. В окрестности этой точки будут происходить изменения напряжений и токов при подаче на вход усилителя переменного сигнала.

Выбор рабочей точки диктуется получением минимальных нелинейных искажений и максимального динамического диапазона усиления входного сигнала.

Величина напряжения источника питания E определяется заданным значением переменной составляющей U_вых. Так как U_вых=U_0выхcosωt, то должно быть E>2 U_0вых. Сверху величина напряжения источника питания ограничивается предельно-допустимым значением U_{кэ max}> E ≥ (2U_0вых+1).

Выбор R_к должен быть сделан так, чтобы рабочий участок нагрузочной прямой не попадал в область недопустимо больших мощностей рассеяния и область электрического пробоя. После того, как выбор F и R_к произведён, следует с помощью сопротивления R_б зафиксировать ток базы I_б*, чтобы рабочей точкой была точка B, удовлетворяющая, как видно из рис.3, требованию минимальных нелинейных искажений и максимального динамического диапазона усилителя. Точке B соответствует U_кэ*= и I_к*=. Найдём значение R_б необходимое для выбранного режима работы транзистора. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

Обычно в схемах с ОЭ на маломощных биполярных транзисторах U_бэ составляет десятые доли вольта при значениях E единиц вольта, поэтому с большой точностью можно считать

I_б=.

Так как I_к=β I_б, то

R_б====2βR_к.

Окончательно R_б=2βR_к, видно, что R_б зависит от параметра транзистора β.

Схема с фиксированным током базы требует минимум деталей и отличается малым потреблением тока от источника питания, так как R_б – велико.

Однако, из-за разброса параметров транзисторов (β) при смене транзистора приходится пересчитывать и R_б. Другим существенным недостатком является низкая температура стабильности схемы.

Введение в цепь Эмиттера небольшого по величине сопротивления R_э, R_э<<R_к позволяет стабилизировать параметры усилителя (коэффициент усиления K_u становится практически независящим от параметров транзистора, а определяется, в основном, отношением величин R_к и R_э, K_u=) и позволяет довольно просто производить регулировку величин: R_вх (увеличивается при введении R_э), K_U и K_p (уменьшаются при введении R_э). Положение рабочей точки практически не меняется (если R_э<<R_к).

3. Обратные связи в усилителях

Связь, обеспечивающая возвращение части энергии сигнала с выхода усилителя на его вход, называется обратной связью (ОС). Структурная схема усилителя с ОС имеет вид:

Здесь К – усилитель с коэффициентом усиления К; ж – цепь обратной связи; U_x – напряжение обратной связи; U_г – входной сигнал; U_вх – напряжение, управляющее транзистором.

Та часть схемы, которая из U_г и U_x вырабатывает U_вх, называется суммирующим узлом.

Коэффициентом обратной связи называют отношение:

ж=.

Если фазы входного сигнала и напряжения обратной связи совпадают, то такая ОС называется положительной, если фазы названных напряжений противоположны – отрицательной. В усилителях реализуется отрицательная обратная связь. Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя. По определению,

K=; K_ОС=; ж=.

Используя эти определения, можно записать следующую цепочку равенств

=к(U_г+U_ж)=к(U_г+ жU_вых).

Откуда следует

U_вых(1-кж)=кU_г

K_ОС==.

Величину (1- кж) называют глубиной обратной связи.

Из последнего равенства следует, что при отрицательной обратной связи к=-кж и K_ОС=, т.е., отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления.

Практическая часть

Задание 1: Исследовать амплитудную характеристику усилителя U_вых = f(U_вх).

R_к = 1 кОм; R_э = 100 Ом; R₁ = 10 кОм; R₂ = 750 Ом; С_р = 1 мкФ; f = 1 кГц.

Таблицы для графика:

График 1. Зависимость U_вых от U_вх для усилителя

Задание 2: Исследовать зависимость коэффициента усиления К_ус от частоты для усилителя.

1) Без конденсатора.

Таблицы для графика:

2) C конденсатором (С_Э = 10 мкФ)

Таблицы для графика:

График 2. Зависимость Кус от f с конденсатором (сверху) и без конденсатора (снизу)

Задание 3: Исследовать зависимость коэффициента усиления от величины сопротивления R_Э для средней частоты (f = 1 кГц).

Таблица для графика:

Задание 4: Исследовать зависимость коэффициента усиления от величины сопротивления R_К для средней частоты (f = 1 кГц).

Таблица для графика:

График 3. Зависимость К_ус от R_Э

График 4. Зависимость К_ус от R_К

Вывод: в данной работе мы ознакомились с принципом построения RC-усилительного каскада, его основными характеристиками и назначением элементов. Были подробно разобраны эквивалентные схемы транзистора и усилителя. Получены основные характеристики транзисторного НЧ-усилителя. Исследовалось влияние сопротивлений эмиттера и коллектора на коэффициент усиления. Расхождений с теорий не наблюдается.

Литература

1. В.Н.Ушаков. ”Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства”. М., «Высшая школа», 1976.

2. Е.И. Манаев. “Основы радиоэлектроники”. М., «Радио и связь», 1985.