Лабораторная работа №7
Исследование усилительного каскада с RC– связями
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Изучить принцип работы усилительного каскада на биполярном транзисторе с RC связями
2. Исследовать влияния элементов принципиальной схемы на его частотные и временные характеристики.
Общие сведения
Усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема одного из усилительных каскадов выполненного на биполярном транзисторе с RC связями приведена на рис.1. Такой усилитель обычно предназначен для предварительного усиления непрерывных или импульсных сигналов по напряжению, а резистивно-емкостная (RC) связь между усилителем и источником сигнала и нагрузкой является наиболее распространенной.
О
 |
сновными элементами каскада являются: источник питания (EК), биполярный транзистор n-p-n типа (VT1) и резистор коллекторной цепи RК. Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы Iб коллекторного тока Iк=b.Iб, на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение Uкэ=Eк-IкRк, которое, далее, через разделительный конденсатор Cр2 передается на нагрузочное сопротивление Rн. Резисторы R1,R2,Rэ играют вспомогательную роль - обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (режим покоя или рабочую точку транзистора). Кроме того, за счет включения в эмиттерную цепь резистора Rэ, в схеме возникает отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току. Она осуществляет температурную стабилизацию рабочей точки транзистора. Полярность напряжения источника питания Eк положительна. Это обеспечивает для транзистора n-p-n типа смещение коллекторного перехода в обратном, а эмиттерного перехода в прямом направлении, т.е. активный (усилительный) режим работы транзистора. Конденсаторы Cp1иCp2 называются разделительными. Они обеспечивают изоляцию (разделение) источника сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и соединение (связь) их по переменной составляющей между собой. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей, которая возникает из-за эмиттерного резистора Rэ его шунтируют конденсатором Cэ, сопротивление Xcэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше Rэ (Rэ>>Xcэ). Это ослабляет (устраняет) отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние Rэ на коэффициент усиления по переменной составляющей.
При усилении непрерывных сигналов характеристики усилителя рассматривают в предположении, что входной сигнал - гармонический. Одной из основных характеристик усилителя, характеризующей его способность усиливать различные гармонические составляющие является коэффициент усиления K. Он представляет собой зависимость от частоты отношения амплитуд выходного (
) и входного (
) напряжений
Рис.2
Н а рис.2 приведены АЧХ и ФЧХ усилителя. Для реального усилителя АЧХ (K(w)) непостоянна, т.е., зависит от частоты. Уменьшение коэффициента усиления в области НЧ и ВЧ представляют собой линейные частотные искажения, создаваемые усилителем. Весь диапазон частот разбивают на 3 участка: область средних частот, где коэффициент усиления Ku практически не зависит от частоты - это область рабочих частот, область низких частот ¦<¦н гр, и область высоких частот ¦>¦в гр. Частоты¦н.гри¦в.гр, являющиеся границами рабочего диапазона, называют граничными частотами в области нижних (¦н гр) и области верхних (¦в.гр) частот.
Область средних частот
Для области средних частот упрощается коэффициент усиления по напряжению определяется выражением:
=Uвых/Uвх=-h21Rн.экв/(Rг+Rвх.ус),
Величина его зависит от выбора транзистора (h11,h21) и резисторовRн.экв,Rвх.ус.,Rг. Знак (-) говорит о том, что происходит инвертирование выходного сигнала (сдвиг по фазе на 180) относительно сигнала на входе.
Область низких частот
Здесь необходимо учитывать разделительные конденсаторы Ср1и Ср2 т.к. на низких частотах их сопротивления становятся соизмеримыми с Rвх.уси Rн.экв, а паразитной емкостью Сo можно пренебречь, т.к. Хс0>>Rн (рис.1.7). На низких частотах часть усиливаемого входного сигнала Uвх падает на разделительных конденсаторах (Ср1и Ср2), причем с уменьшением частоты оно возрастает, выходное напряжение уменьшается а, следовательно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления по сравнению с его значением в диапазоне средних частот.
Область верхних частот
В этом диапазоне частот необходимо учитывать:
1) инерционные свойства транзистора, т.е. уменьшение коэффициента передачи тока базы транзистораb(jw)=b0/(1+jwtb)от частоты;
2) паразитную емкостью С0, которая шунтирует эквивалентное сопротивление нагрузкиRн.экв, а следовательно уменьшает коэффициент усиления транзисторного каскада. В результате с увеличением частоты амплитуда выходного напряжения и, следовательно, коэффициент усиления уменьшаются.
Работа транзисторного каскада в усилительном режиме
Режим работы усилительного каскада при малом входном сигнале, когда (Um.вых<<Ек/2), где (Um.вых) - амплитуда выходного сигнала, (Ек) -напряжение коллекторного питания, можно считать линейным. При этом форма выходного сигнала соответствует форме входного сигнала.
П
 |
ри большом входом сигнала, когда (Um.вых»Ек/2) т.е. когда эти величины соизмеримы, форма выходного сигнала отличается от входного. Эти отличия обусловлены нелинейностью ВАХ транзистора и называются нелинейными искажениями усилителя.
Диапазон изменения выходного сигнала, усиливаемого без искажений можно оценить по амплитудной характеристике (АХ). АХ представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (Um.вых=¦(Um.вх)) (рис.3).
Для идеального усилителя АХ-прямая (прямая А на рис.3). Для реального усилителя она нелинейна. Линейный участок АХ (0-n) позволяет определить входной максимальный сигнал Uвх.мах, а также и выходной максимальный сигнал Uвых.мах, при котором нелинейные искажения незначительны. По АХ, в линейной ее части, можно определить коэффициент усиления усилителя Кu=Um.вых/Um.вх.
Порядок выполнения работы
Задание 1
Снятие амплитудной характеристики усилителя
1. Собрать исследуемую схему усилителя на рис.4
Рис.4
2. С выхода генератора гармонических колебании на вход усилителя подать синусоидальный сигнал с амплитудой от 10 мВ до 120мВ с шагом 20 мВ и частотой 1000Гц. Входы осциллографа подключить к входу и выходу усилителя. Величину входного и выходного напряжений измерять вольтметром или осциллографом. Измерения провести при отсутствии нагрузки Rн (R5 = ¥) и при подключенной нагрузке (R5=2кОм)
Результаты измерений записать в табл.1.
Таблица 1.
| Um.вх,(мВ) | ||||||
| Um.вых |Rн = ¥ | ||||||
| Um.вых |Rн=2кОм |
3. Зарисовать в отчет входной и выходной сигнал и рассчитать коэффициент усиления (К0=Um вых|/Um вх) для обоих случаев. Обратить внимание на искажения при большом входном сигнале. За амплитуду сигнала принимать половину размаха сигнала.
4. По результатам измерений построить АХ на одном графике. Указать линейные участки АХ. Определить входной максимальный сигнал Uвх.мах, а также и выходной максимальный сигнал Uвых.мах, при котором нелинейные искажения незначительны. По АХ, в линейной ее части, определить коэффициент усиления усилителя Кu=Um.вых/Um.вх.
Задание 2
Исследование влияния элементов схемы на характеристики усилителя
1. Провести измерения амплитуды выходного напряжения для различных значениях ёмкости конденсатора С2, если на вход усилителя подать синусоидальный сигнал с амплитудой от 10 мВ до 120мВ с шагом 20 мВ и частотой 1000Гц. Результаты занести в таблицу 2.
Таблица 2.
| Um.вых,(В) | |||||||
| Um.вх,(мВ) | |||||||
| С2 (мкФ) | 0.5 | ||||||
| 1.0 | |||||||
| 2.0 |
2. Для каждого значения ёмкости построить амплитудную характеристику.
3. Сделать выводы о влиянии ёмкости конденсатора на выходной сигнал.
Задание 3
Исследование влияние элементов схемы на амплитудно-частотную (АЧХ) и фазовочастотную (ФЧХ) характеристику коэффициента усиления усилительного каскада.
1. Снять АЧХ усилительного каскада
2. Изменяя частоту гармонического сигнала на входе усилителя в диапазоне 10Гц - 100кГц и поддерживая его амплитуду равной 10мВ измерять амплитуду выходное напряжение. Результаты измерений заносить в табл.3 и рассчитать коэффициент усиления 
Кu=Um.вых/Um.вх, приUm.вх= 10мВ. Построить зависимости K(f).
Таблица 3
| F(Гц) | 103 | 2*103 | 5*103 | 104 | 2*104 | 5*104 | ||||||
| Um.вых | ||||||||||||
| Кu | ||||||||||||
| φкизм | ||||||||||||
| φкрасч |
3. Исследовать влияние элементов схемы усилителя на (АЧХ) и (ФЧХ) коэффициента усиления c помощью измерителя диаграмм Боде.
4. Установить измеритель диаграмм Боде в режим измерения АЧХ (нажав клавишу Magnitude), масштаб по осиY–линейный, а по осиX- логарифмический, диапазон частотного анализа 10Гц-100кГц.
5. С помощью визирной линии произвести измерения коэффициентов передачи на частотах указанных в таблице 3. Проверить данные таблицы. Зарисовать в отчет графики АЧХ коэффициента усиления.
6. Установить измеритель диаграмм Боде в режим измерения ФЧХ (нажав клавишу Phasa), диапазон анализа прежний.
7. С помощью визирной линии произвести измерения фазовых сдвигов на частотах указанных в таблице 3. Результаты измерений занести в таблицу 3.
8. По результатам измерения построить графики ФЧХ φк(f)