Порядок выполнения работы.

1. Под руководством преподавателя разо­браться в назначении ручек управления осциллографом.

2. В канал Yподать напряжение с первичной обмотки трансформатора лабораторного макета выпрямителя и определить амплитуду этого напря­жения.

3. Проделать то же самое с сигналом вторичной обмотки трансформатора.

4. На вход канала Y подать напряжение с вторичной обмотки трансфор­матора лабораторного макета выпрямителя. От генератора стандартных сиг­налов подать сигнал в канал X (внутреннюю синхронизацию необходимо выключить). Получить на экране осциллографа фигуры Лиссажу и по ним оп­ределить частоту питающей сети, пользуясь выражением f_Y = mf_x/n. Зари­совать фигуры Лиссажу с экрана осциллографа.

5. Получить на экране осциллографа осциллограммы с выхода выпрями­теля для одно- и двухлолупериодиых схем. Определить частоту следования пульсаций выпрямленного напряжения. Зарисовать осциллограммы.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение осциллографа?

2. Для ка­ких целей в осциллографе используются развертки?

3. Как можно опреде­лить напряжение сигнала с помощью осциллографа?

4. При каких условиях осциллограмма будет неподвижной?

5. Как определить частоту исследуемого сигнала с помощью осциллографа?

Лабораторная работа №11

Снятие частотной характеристики электронного усилителя

Цель работы. Снять амплитудную и частотную характеристики уси­лителя.

Общие теоретические положения. В лабораторной работе исследуется каскад усилителя напряжения низкой частоты (УНЧ), широко применяющим­ся в электронных установках. На рис. 13.1 представлена структурная схема усилительного каскада. В состав каскада входят источник входного сигнала, усилительный элемент, нагрузка и источник питания. В зависимости от наз­начения каскада источником входного сигнала могут быть микрофон, звуко­сниматель, различные датчики, детектор радиоприемного устройства и др. В качестве усилительного элемента часто используют транзистор. Нагруз­кой каскада могут быть входная цепь следующего каскада УНЧ, усилитель мощности и др.

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада приведена на рис. 13.2. В большинстве случаев транзистор в усилительном каскаде вклю­чают по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления такого каскада УНЧ определяется выражением k = = U_ВЫХ/U_ВХ = βRн/Rвх, где β — коэффи­циент усилителя тока базы; Rн — сопротивление нагрузки цепи коллектора; Rвх — входное сопротивление транзистора.

В реальных схемах сопротивление нагрузки по переменному току обыч­но не входит в коллекторную цепь. Например, в схеме двухкаскадного УНЧ (рис. 13.3) нагрузкой первого каскада является входная цепь второго каска­да. Рассмотрим назначение элементов в этой схеме. Резисторы R₁, R₂, R₃ оп­ределяют напряжение на базовом переходе транзистора. Они образуют цепь эмиттерной температурной стабилизации начального режима по постоянно­му току. Прямое напряжение на базовом переходе образуется как разность двух напряжений: U_БЭ=IделR₂-I_ЭR_Э, где Iдел=E_К/(R₁+R₂) – ток делителя. Обычно ток делителя выбирают гораздо больше постоянного тока ба­зы U_БЭ, например I_дел=(5÷10)I_БО. Поэтому ток базы очень мало влияет на напряжение на базовом переходе. Его находят по входной характеристи­ке транзистора для определенного напряжения на коллекторе (рис. 13.4, а, б).

Постоянный ток коллектора I_К0 определяют по выходным характеристи­кам транзистора в точке пересечения нагрузочной прямой для постоянного то­ка с выходной характеристикой, соответствующей току базы I_БО (рис. 13.4). Нагрузкой для постоянного тока является сопротивление Rп=Rк+Rэ≈Rк, так как Rк>>Rэ. Таким образом, токи I_К0, I_Б0 и напряжение U_КЭ0 определяют положение рабочей точки А. В усилителях напряжения низкой частоты рабочую точку выбирают приблизительно в середине нагрузочной прямой, так как возникающие в процессе работы усилителя нелинейные искажения, связанные с изменением формы исходного сигнала, в этом случае минимальные.

При изменении температуры изменяются токи в транзисторах Iэо, Iко, I_Б0, что может привести к серьезным нарушениям в работе усилительного каскада. Однако цепь R₁R₂Rэ заметно ослабляет возможные изменения начального режима. Например, с увеличением температуры увеличивается ток эмиттера I_эо, что ведет к умень­шению прямого напряжения па базовом переходе: U_БЭ=I_ДЕЛR₂-I_Э0R_Э (так как ток де­лителя I_дел — const, а изменяющийся ток базы мал по сравнению с ним). Это вызовет уменьшение тока коллектора I_К0 относительно первоначального увеличения его из-за повыше­ния температуры. Разделительный конденсатор Ср препятствует прохожде­нию постоянной составляющей коллекторного тока в цепь базы следующего каскада. Тем самым устраняется влияние режимов работы по постоянному то­ку одного каскада на другой.

Конденсатор Сэ устраняет или сильно ослабляет отрицательную обрат­ную связь по переменному току. При отсутствии этого конденсатора перемен­ный ток Iэ на резисторе Rэ образует переменное напряжение Uэ~Iэ~Rэ, находящееся в одной фазе с входным напряжением Uвх. В резуль­тате уменьшается управляющее напряжение на входе Uупр=U_БЭ=Uвх-Uэ~, что ведет к уменьшению выходного напряжения, а значит, и усиления. Включение конденсатора Сэ большой емкости, при которой Хсэ=I/(ωCэ)<<Rэ, значительно уменьшает переменное напряжение в цепи эмиттера. Управляющее напряжение изменится очень мало, усиление входно­го сигнала почти не уменьшится.

Усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов в некоторой полосе частот. Об особенностях УНЧ можно судить по его амплитудной (выходной) и частотной характеристикам.

На рис.13.5 изображена амплитудная характеристика УНЧ Uвых= q(Uвх). По не можно определить динамический диапазон D=Uвых max/Uвых min, где значения Uвых max, Uвых min ограничивают линейный участок характеристики. Обычно динамический диапазон определяют в децибелах: D_дБ = 20 lg D. Чем больше D, тем выше качество усилителя. Амплитудная характеристика заметно нелинейна при очень малых и очень больших напря­жениях входного сигнала. Причем даже при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторое напряжение, определяемое собственными шумами усилителя. Поэтому очень малым значение Uвых min выбирать нельзя из-за того, что слабые сигналы будут заглушаться напряжением собственных шу­мов. При больших входных сигналах происходит перегрузка усилительных элементов, что приводит к уменьшению усиления и искажениям усиливаемого сигнала. Поэтому очень большое значение Uвых max также нельзя выбирать. Таким образом, динамический диапазон усилителя ограничен.

На рис. 13.6 изображена частотная характеристика усилителя К =φ(f) при U_BX = const. Из нее видно, что электрические сигналы проходят через УНЧ с искажениями, причем искажения увеличиваются на самых низших и высших рабочих частотах. Это связано с изменением значения сопротивле­ния нагрузки для различных частот.

На рис. 13.7 представлена эквивалентная схема сопротивления нагрузки резисторного каскада УНЧ. Здесь коэффициент усиления каскада К=βZн/Rвх. Обычно изменением β в рабочем диапазоне частот УНЧ можно пренеб­речь.

В эквивалентное сопротивление нагрузки Zн помимо активных сопротив­лений R_к, R_{вх сл}, R_дел, [R_дел=R₁R₂/(R₁+R₂)], входят реактивные со­противления разделительного конденсатора Х_Ср =I /(ωС_р) и емкости на­грузки Х_со = 1/(ωС₀), причем сопротивление Х_ср включено последователь­но с нагрузкой R_{вх сл}, а сопротивление Х_со — параллельно.

На низших рабочих частотах на значение Zн существенное влияние ока­зывает сопротивление Х_Ср, даже при большой емкости конденсатора С_р (доли, единицы микрофарад) на очень малых частотах сопротивление Х_ср получается значительным. В результате на конденсаторе С_р задержи­вается большая часть коллек­торного напряжения, а нап­ряжение на нагрузке соответ­ственно уменьшается. В то же время на низших частотах обычно выполняется условие X_С0>>R_{вх сл} (так как емкость невелика: единицы —сотни пикофарад) и емкость почти не влияет на напряжение на нагрузке, а значит, и на частотную характеристику каскада.

На высших рабочих частотах, наобо­рот, существенное влияние на значение Zн оказывает сопротивление емкости Х со. З десь сопротивление Хсо соизмеримо с сопротивлением нагрузки Rвх сл и, следовательно, емкость Со заметно шунтирует нагрузку. Сопротивление разделительного конденсатора Хср на высших частотах весьма мало, обычно выполняется условие X_Ср<<R_{вх сл}, поэтому коллекторное напряжение беспрепятственно передается через Cр в нагрузку. В области средних частот выполняются условия Х_Ср<<Rвх сл, X_С0>>Rвх сл. При этом разделительный конденсатор Ср и емкость нагрузки Со на коэффициент уси­ления каскада влиянии не оказывают.

Таким образом, из-за изменения эквивалентного сопротивления Zн ко­эффициент усиления каскада изменяется на различных частотах. Частотные искажении определяют коэффициентом частотных искажений М=К₀/К, где К₀ — усиление в области средних частот, К —усиление на данной часто­те. Обычно на граничных частотах f_н и f_в (нижней и верхней) допускаются ко­эффициенты частотных искажений не более Мн=Мв=√2=1,41(3дБ).

Величину, обратную коэффициенту частотных искажений, называют от­носительным усилением Y= 1/М= К/К₀, характеристика Y=φ (f) яв­ляется приведенной частотной характеристикой (рис. 13.8). С помощью этой характеристики удобно сравнивать частотные свойства усилителей с разными коэффициентами усиления на средних частотах.

Помимо разделительного конденсатора С_р и емкости нагрузки С₀ на частотные свойства усилительного каскада оказывают влияние и другие реактивные элементы, в частности конденсатор С_э (см. рис. 13.3). Условие Х_сэ =1/(ωС_э) << Rэ, из которого выбирают емкость Сэ, не всегда можно выпол­нить для всех рабочих частот. На низших частотах сопротивление Х_сэ возрас­тает, что приводит к увеличению переменного напряжения на эмиттере, умень­шению управляющего напряжения на входе и коэффициента усиления. На средних и высших частотах конденсатор С_э не вносит частотных искажений.

Приборы и оборудование: генератор стандартных сигналов типа ГЗ-36, вольтметр типа В7-15, макет исследуемого усилителя.

Порядок выполнения работы. 1. Собрать схему лабораторного макета усилительного каскада (рис.13.9).

2. Снять частотные характеристики усилительного каскада при различных значениях элементов схемы. При снятии частотных характеристик на выходе генератора необходимо поддерживать напряжение постоянным и изменять частоту от 20 до 20 000 Гц. Целесообразно выбрать частоты: 20, 50, 100, 200, 500 Гц и 1,2, 5, 10, 15, 20 кГц. Результаты измерений занести в табл. 13.1 и по ним по­строить частотные характеристики. Рекомендуется строить приведенные час­тотные характеристики на одном графике Y =φ(f). При построении графика необходимо использовать логарифмический масштаб, т. е. по оси абсцисс откладывать не само значение частоты f, а ее логарифм lgf.

3. Снять амплитудную характеристику усилительного каскада Uвых=φ(Uвх) на частоте f =1 кГц при изменении входного напряжения от 0 до 3 В. Данные измерений занести в табл. 13.2 и по ним построить амплитудную характеристику.

Таблица 19.1

Таблица 13.2

Контрольные вопросы. 1. Объяснить назначение усилителя. 2. Назвать назначение всех элементов принципиальной схемы усилителя. 3. Объяснить причины появления частотных искажений в усилителе. 4. Из каких сообра­жений выбирают значения емкостей конденсаторов вспомогательных цепей? 5. Определять по частотной характеристике нижнюю и верхнюю граничные час­тоты при заданных частотных искажениях. 6. Как определить динамический диапазон усилителя?

Лабораторная работа №12