– ПК, Multisim
Краткие сведения
Усилитель – это устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов с сохранением их формы.
В электронных усилителях усиление сигнала, то есть увеличение мощности, тока и напряжения сигнала происходит за счет активных усилительных элементов – биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп.
Простейший усилитель – это один усилительный каскад.
Усилительный каскад – это один или два усилительных элемента и несколько пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, трансформаторов и т.д.). Пассивные элементы необходимы для подачи питания на усилительный элемент, осуществления связи с нагрузкой и т.д.
Усилительные свойства усилительного каскада оцениваются коэффициентом усиления по напряжению, току и мощности.
В большинстве случаев усиление, которое способен обеспечить один усилительный каскад, бывает недостаточно для выполнения технических требований электронной аппаратуры и приходится использовать несколько усилительных каскадов. Количество каскадов зависит от назначения усилителя. В многокаскадных усилителях нас интересует усиление всего усилителя, которое характеризуется коэффициентом усиления усилителя:
Uвых ус
Кус = –––––––––
Uвх ус
А так же сквозным коэффициентом усилителя, если необходимо учесть напряжение источника сигнала:
Uн
Кскв = ––––––
Uис
Усилительные каскады могут быть различными как по схемному решению так и по выполняемым функциям.
Сигнал, поступающий с источника сигнала, имеет очень небольшой уровень и чтобы увеличить его по току, напряжению и мощности используют каскады предварительного усиления (КПУ).
Если КПУ имеет несколько каскадов, то рассчитывается коэффициент усиления предварительного усилителя:
Uвых n (последнего каскада)
Ккпу = –––––––––––––––––––––––––––
Uвх 1 (первого каскада)
Усилительный каскад, работающий на внешнюю нагрузку, называется оконечным. В некоторых усилителях из-за схемного решения оконечного каскада (ОК) сигнал с КПУ не может поступить на ОК, тогда используют специальный предоконечный каскад (ПОК).
Источником сигнала в электронных усилителях может быть микрофон, проводная линия, передающая телевизионная трубка, кабельная линия и т.д. Все эти источники относятся к числу высокоомных, т.е. имеют большое внутреннее сопротивление, порядка сотен кОм.
Входное сопротивление усилителей на биполярных транзисторах низкое – единицы – сотни Ом. Это осложняет передачу сигнала, так как не выполняется условие согласования:
Rис = Rвх ус
Поэтому используют входное устройство, в качестве которого могут быть использованы трансформаторы или разделительные цепи.
В качестве нагрузки применяют динамик, громкоговоритель, проводная или кабельная линия и т.д. – низкоомные устройства. Для их согласования с усилителем также необходимо выполнять условие согласования:
Rвых ус = Rн.
Вопросы допуска
1 Что такое усилитель?
2 Перечислите существующие виды усилителей?
3 Перечислите каскады, из которых строятся схемы многокаскадных усилителей?
4 Для каких целей в схеме усилителя используется КПУ?
5 Какие требования предъявляют к работе КПУ?
Задание
- исследовать работу усилителя на биполярном транзисторе;
- зафиксировать АЧХ исследуемой схемы;
- исследовать влияние конденсаторов на АЧХ усилителя на биполярном транзисторе;
- определить параметры усилителя, используя осциллограф.
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема.
Рисунок 1 - Схема усилителя на биполярном транзисторе
3 Осциллограмма с АЧХ усилителя на биполярном транзисторе.
4 Расчет параметров усилителя.
Порядок выполнения
Активизировать программуMultisim/
Включить режим моделирования, не изменяя состояние исследуемой схемы.
Начертить осциллограмму №1 с АЧХ в отчет по лабораторной работе и
выключить режим моделирования. Подключить конденсатор С1.1 клавишей «R» (английский регистр) и возобновить режим моделирования.
Начертить осциллограмму №2 с АЧХ в отчет по лабораторной работе и выключить режим моделирования. Подключить конденсатор С клавишей «Р» (английский регистр) и возобновить моделирование.
Начертить осциллограмму №3 с АЧХ в отчет по лабораторной работе выключить схему при помощи той же кнопки. Отключить конденсатор С1.1 клавишей «R» (английский регистр) и возобновить моделирование.
Начертить осциллограмму №4 с АЧХ в отчет по лабораторной работе и выключить режим моделирования.
Расчетная часть
По осциллограмме определить Кср на уровне fср.
Рассчитать величину К = Кср*0,707, на которой определяются fн и fв, то есть диапазон рабочих частот (ДРЧ) для каждой АЧХ.
Контрольные вопросы
1 Что такое амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)?
2 Что такое диапазон рабочих частот (ДРЧ)?
3 Что такое согласованная нагрузка?
4 Как рассчитывается ДРЧ усилителя?
5 Какие параметры можно рассчитать, пользуясь осциллографом?
6 Какое влияние на параметры и АЧХ усилителя оказывает наличие в схеме конденсаторов?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11
Исследование режимов работы усилителя с эмиттерной стабилизацией
Цель работы: исследовать принцип действия, параметры и характеристики усилителя с эмиттерной стабилизацией.
Используемое оборудование:
– ПК, ПО Multisim
Краткие сведения
Процессы, происходящие внутри усилительных элементов, в значительной степени зависят от температуры. А значительное изменение температуры приводит к изменению параметров и характеристик транзистора, повлечь за собой смещение точки покоя, потери работоспособности схемы. Помимо температуры окружающей среды, причиной нагрева устройств является мощность, рассеиваемая транзисторов в коллекторном переходе при протекании коллекторного тока. Таким образом, каскады на биполярных транзисторах требуют температурной стабилизации, чтобы снизить влияние температуры на точку покоя.
Кроме того, на изменение положения точки покоя влияют и сами схемы включения биполярных транзисторов. Так в схеме с ОБ изменение тока коллектора составляет десятки – сотни микроампер и практически не сказывается на положении точки покоя.
В схеме с ОЭ изменение тока коллектора составляет несколько миллиампер, что приводит к значительному смещению точки покоя.
Таким образом, схема с ОЭ требует обязательной стабилизации точки покоя, для чего используют внешнюю отрицательную обратную связь.
Различают различные способы стабилизации точки покоя.
1 Стабилизация точки покоя отрицательной обратной связью по напряжению – это такая коллекторная стабилизация, при которой смещение на базу осуществляют включение резистора Rб между коллектором и базой. Тогда при увеличении тока коллектора уменьшается напряжение коллектора, что приводит к уменьшению тока базы. И тогда смещение точки покоя будет меньше. Стабилизация рабочей точки тем выше, чем меньше сопротивление коллектора.
2 Стабилизация точки покоя ООС по току. Такая стабилизация называется эмиттерной и осуществляется за счет включения резистора Rэ в цепь эмиттера. При этом на базу транзистора подается фиксированное напряжение с помощью делителя Rд1, Rд2.
При увеличении тока коллектора, происходит увеличение и тока эмиттера, а, следовательно, и падение напряжения на эмиттерном сопротивлении Rэ. Уменьшается напряжение база – эмиттер, уменьшается ток коллектора. Резистор Rэ создает ООС по переменному току, поэтому его шунтируют конденсатором большой емкости (порядка сотен мкФ). В данной схеме Rк не влияет на стабильность точки покоя, поэтому наиболее используема.
Однако цепи стабилизации потребляют дополнительную мощность от источников питания и ухудшают усилительные свойства каскада. Такая потеря мощности составляет 20-100% мощности коллекторной цепи. Поэтому для компенсации влияния температуры приходится применять специальные меры - термокомпенсацию
Для организации такой стабилизации используют термочувствительные резисторы (терморезисторы, полупроводниковые диоды, смещённые в прямом или обратном направлениях).
Схемы с термокомпенсацией хорошо работают при колебаниях напряжения источника питания и при низких рабочих температурах. С повышением температуры сопротивление терморезистора уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на базе транзистора, а ток коллектора остается неизменным.
Термосопротивления бывают с отрицательным и с положительным температурным коэффициентом. Первые включаются вместо Rд2 или цепь коллектора, вторые – в цепь эмиттера.
Вопросы допуска
1 Как влияет изменение температуры на параметры и характеристики усилителя?
2 Как изменяется положение точки покоя на ВАХ биполярного транзистора?
3 Какие способы стабилизации точки покоя вы знаете?
4 Что такое коллекторная стабилизация?
5 Что такое эмиттерная стабилизация?
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема исследуемого усилителя.
Рисунок 1 - Принципиальная схема усилителя с эмиттерной стабилизацией
3 Таблица результатов измерений.
| % изменения подстроечного резистора | Ub | Ue | Uk | Осциллограмма |
4 Расчетная часть
По заданию преподавателя
Порядок выполнения
Активизировать программу Multisim.
Установить % изменения построечного резистора 100Ом с помощью клавиши R (английский регистр) значение «0».
Включить режим моделирования.
Записать в таблицу измерений показания всех вольтметров и начертить осциллограмму, соответствующую данным условиям.
Повторить измерения для значений подстроечного резистора, указанных в таблице.
Выключить режим моделирования.
Расчетная часть
Контрольные вопросы
1 Какие процессы происходят в схеме усилителя с эмиттерной стабилизацией?
2 Как осуществляется коллекторная стабилизация?
3 Что такое термостабилизация точки покоя?
4 Какими достоинствами обладает усилитель с термокомпенсацией?
5 Как зависит положение точки покоя биполярного транзистора от полупроводникового материала, используемого для его изготовления?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12
Исследование работы трансформаторного усилителя мощности
Цель работы: исследовать работу трансформаторного усилителя мощности, изучить принцип действия, его параметры и характеристики.