Министерство Образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра вычислительной техники и защиты информации

Лабораторная работа

Исследование транзисторных усилителей.

Выполнили: студенты группы ВМ-212

Медведев Павел

Исламгулова Зульфия

Пестрецов Андрей

Золин Михаил

Проверил: доцент Кутдусов Ф.Х.

Уфа 2002

Лабораторная работа

Исследование транзисторных усилителей

Цель работы: Изучение принципа действия и освоения методики определения и исследования характеристик и параметров транзисторных усилителей.

Перечень оборудования:

1. Экспериментальная установка;

2. Осциллограф.

Краткая теоретическая часть

Усилителем называется электронное устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе. Это преобразование совершается за счет энергии источника питания. Усилитель предназначен для увеличения параметров электрического сигнала: напряжения U_вх, тока I_вх, мощности P_вх. Основными параметрами усилителя являются:

U_вых

1. коэффициент усиления по напряжению K_u = ——;

U_вх

I_вых

2. коэффициент усиления по току K_i = ——;

3. I_вх

P_вых

4. коэффициент усиления по мощности K_p = —— .

P_вх

Для усилителя возможны различные значения K_u, K_i, K_p, но принципиально то, что всегда K_p>1, тогда как K_u, K_i могут быть больше или меньше 1.

Все усилители делятся на два класса – с линейными и нелинейными режимами работы (линейные и нелинейные усилители). К линейным усилителям предъявляется требование минимального искажения усиливаемого сигнала. Коэффициенты усиления линейного усилителя рассчитываются по амплитудным или действующим значениям (для синусоидального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем линейного усилителя является его амплитудно-частоная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления K_u, определенного для синусоидального сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ линейные усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ) с рабочим диапазоном частот f_p от 0 до 10³…10⁸Гц, усилители звуковых частот (УЗЧ) с f_p от десятков герц до 15…25кГц, усилители высоких частот (УВЧ) с f_p от десятков килогерц до сотен мегагерц, широкополосные усилители (ШПУ) с f_p от десятков герц до сотен мегагерц и узкополосные (избирательные) усилители (УПУ) с узкой полосой f_p.

Рабочий диапазон частот усилителя ограничен верхней и нижней граничными частотами f_в и f_н. Граничные частоты определяются по АЧХ, когда K_u снижается в 2 раз по отношению к K_u0 на средней частоте f₀.

Нелинейные усилители характеризуются зависимостью коэффициента усиления от величины усиливаемого сигнала.

В зависимости от того, какой параметр является определяющим, усилители делятся на усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности.

По типу связи между каскадами различают усилители с гальванической связью (характерно для УПТ); усилители с RC-связью, где разделительным элементом между каскадами является конденсатор; усилители с трансформаторной связью; усилители со связью через колебательный контур.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента.

Расчет усилительного каскада состоит из двух этапов:

5. а) анализ (расчет) каскада по постоянному току;

6. б) анализ (расчет) каскада по переменному току.

Первый этап выполняют графо-аналитическим методом, в результате чего определяются параметры элементов схемы, предназначенные для обеспечения параметров режима покоя.

На втором этапе решается задача определения основных показателей усилителя: K_u, K_i, K_p, R_вх, R_вых. Основной метод расчета на втором этапе заключается в замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току.

Определим основные параметры каскада по данной схеме замещения.

Входное сопротивление каскада определяется из выражения

Rвх = R1||R2||r_вх,

где r_вх = r_б+(1+)r_э – входное сопротивление транзистора;

r_б – объемное сопротивление базы;

r_э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

- коэффициент передачи базового тока.

Коэффициент усиления каскада по току

i_н R_вх r_к||R_н||R_к

K_i = — = —— ————— .

i_вх r_вх R_н

R_к||R_н

Если R1||R2 > r_вх, R_к >R_н, R_вх r_вх, r_к >>R_к||R_н, получим K_i ———.

R_н

Коэффициент усиления по напряжению

U_вых R_н R_к||R_н

K_u = ——— = K_i ———— ————.

U_вх R_Г+R_вх R_Г+R_вх

Коэффициент усиления каскада по мощности

P_вых

Kp = —— = K_u K_i

P_вх

Выходное сопротивление каскада рассчитывают относительно его выходных зажимов R_вых = R_к||r_к. Так как r_к >> R_к, то R_вых R_к.

Вторым важнейшим показателем линейного усилителя является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналом, от его частоты; ФЧХ измеряется в радианах.

Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя. Для линейных усилителей эта характеристика представляет собой прямую линию на рабочем участке.

Для изменения параметров усилителей, в них вводят обратные связи. Обратной связью в общем виде называют передачу энергии из выходной цепи усилителя во входную цепь. Различают обратную связь (ОС) по току и напряжению. Обратная связь по току пропорциональна выходному току усилителя, ОС по напряжению – его выходному напряжению. Возможна и комбинированная обратная связь – по напряжению и току одновременно.

По способу подачи сигнала ОС во входную цепь различают последовательную и параллельную ОС. Если во входной цепи складываются напряжения обратной связи и входного сигнала, то такую ОС называют последовательной. Если же во входной цепи складываются ток входного сигнала и ток цепи ОС, то такую связь называют параллельной.

В случае, когда в результате введения цепи ОС коэффициент усиления K_{u ос} увеличивается по сравнению с K_u без ОС, такую ОС называют положительной обратной связью (ПОС), а если K_{u oc} < K_u, такую ОС называют отрицательной ОС (ООО).

В усилителях наиболее часто применяется ООС, т.к. она позволяет повысить стабильность K_u, уменьшить нелинейные искажения сигнала, увеличить входное и уменьшить выходное сопротивление усилителя.

dU_вх

Входное сопротивление усилителя R_вх = ——— является нагрузкой источника

di_вх

входного сигнала. Повышение R_вх усилителя позволяет уменьшить нагрузку на него или использовать менее мощный источник. Выходное сопротивление усилителя R_вх, как правило, определяется относительно зажимов нагрузки при отключенной нагрузке и закороченном источнике входного сигнала.