Часть 2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

3.1.Цель работы: изучение схемы и принципа работы эмиттерного повторителя, исследование влияния параметров схемы на амплитудно-частотную характеристику эмиттерного повторителя и на искажения импульсов на его выходе.

3.2.Краткие сведения из теории

Эмиттерный повторитель – это каскад с общим коллектором, у которого сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера (рис. 3.1). Это каскад со стопроцентной последовательной отрицательной обратной связью (b = -1) по напряжению. Действительно, все выходное напряжение сигнала, выделяемое на сопротивлении Rэ, складываясь с напряжением сигнала Uбэ, образует входное напряжение

Uвх эп = Uвых эп +Uбэ .

(3.1)

Коэффициент передачи по напряжению эмиттерного повторителя меньше единицы

Кэп	=	Uвых эп	=	Uвых эп	<1.	(3.2)
		Uвх эп		Uвых эп +Uбэ

Эмиттерный повторитель не изменяет и фазу выходного сигнала, что и определило название схемы – повторитель.

Рис. 3.1. Эмиттерный повторитель

20

Не усиливая по напряжению, эмиттерный повторитель имеет достаточно высокий коэффициент усиления по току и мощности.

Поскольку эмиттерный повторитель является каскадом с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, то, по сравнению с каскадом с общим эмиттером, он имеет большое входное сопротивление, которое зависит от сопротивления нагрузки Rэ~ переменному току.

R	=	U	бк	= h	+ (1 + h	)R ~,	(3.3)
вх эп		I		11э	21э	э
			б

Здесь Uбк – напряжение база-коллектор; Iб – входной ток базы;

h11э, h21э – входное сопротивление и коэффициент передачи по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

В то же время эмиттерный повторитель имеет малое выходное сопротивление Rвых

Обладая малым выходным и большим входным сопротивлениями, эмиттерный повторитель нашел широкое применение как согласующий каскад при работе с высокоомными источниками сигнала.

Кроме того, эмиттерный повторитель имеет широкую полосу пропускания, что обусловливает малые частотные искажения сигнала, а при усилении импульсных сигналов – малые величины искажений выходных импульсов: длительности фронта tф и спада вершины D (рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Искажения импульса на выходе усилителя

На формирование фронта импульса на выходе эмиттерного повторителя большое влияние оказывает величина емкости нагрузки Cн: чем больше Cн, тем больше tф.

21

На формирование вершины выходного импульса оказывает влияние емкость разделительного конденсатора Ср: чем меньше величина Ср, тем больше спад вершины D выходного импульса.

Схема лабораторной установки

Рис. 3.3. Принципиальная схема исследуемого эмиттерного повторителя (ЭП)

ГС	ЭП	Осц.
ГПИ	ЭП	В

Рис. 3.4. Структурная схема установок для изучения эмиттерного повторителя

3.3. Порядок выполнения работы

-Собрать схему согласно рис. 3.3 и 3.4.

-Включите тумблер "Сеть", базового блока.

-Выставьте частоту ГС 1000 Гц.

-Выставьте рабочее смещение на базу транзистора VT1, соответствующее середине линейного участка ВАХ. С этой целью:

-установите на блоке ГС амплитуду Uвх»0,5 В;

-R1 установите в среднее положение.

22

3.3.1. Исследование влияния элементов схемы на АХЧ эмиттерного повторителя:

-Снимите АЧХ ЭП для значений емкости С2=10 мкФ и С2=0,1 мкФ. При этом С3=0.

-Снимите АЧХ для значений емкости С3=0,033 мкФ и С3=0,1 мкФ. При этом С2=10 мкФ.

-Результаты сведите в таблицу 3.1.

								Таблица 3.1
F, Гц	50	100	500	1000	5000	10000	50000	100000
Uвых, В
К= Uвых/Uвх
lg F

– Постройте АЧХ для каждого случая и определите полосу пропускания эмиттерного повторителя.

3.3.2.Исследование режима работы ЭП с импульсными сигналами

-Ко входу ЭП подключите генератор прямоугольных импульсов (ГПИ)

иосциллограф. Установите амплитуду входного импульса Uвх=0,5 В и частоту 1 кГц.

-Зарисуйте осциллограмму входного напряжения.

-Подключите осциллограф к выходу схемы.

-Зарисуйте форму выходного напряжения при следующих значениях емкости конденсатора С2: 10,0 мкФ; 0,033 мкФ; 0,1 мкФ; 1 мкФ; С3=0.

-Замерьте спад вершины импульса и длительность фронтов. Оцените влияние величины емкости на форму выходного импульса.

-Зарисуйте форму выходного напряжения при следующих значениях емкости конденсатора С3: 0,033 мкФ; 0,1 мкФ; 1 мкФ; С2=10 мкФ. Оцените влияние величины емкости С2 на форму выходного импульса ЭП.

3.4. Выполнение лабораторной работы с использованием программы моделирования электронных схем “Electronics Workbench”.

3.4.1.Соберите схему для изучения эмиттерного повторителя, изображенную на рис. 3.5.

3.4.2.Установите форму выходного напряжения функционального генератора «синусоида», частоту колебаний 1 кГц, амплитуду выходного напряжения 0,5 В. Проведите измерения согласно п. 3.3.1.

3.4.3.Установите форму колебаний функционального генератора

«Прямоугольный импульс», частоту колебаний 1 кГц, амплитуду выходного напряжения 0,5 В. Проведите измерения согласно п. 3.3.2.

23

Рис. 3.5. Принципиальная схема для изучения эмиттерного повторителя

3.5.Содержание отчета

-Цель работы.

-Принципиальная схема ЭП.

-Функциональная схема установки для исследования ЭП.

-Экспериментальные данные (таблицы, графики, осциллограммы) и определенные по графикам параметры ЭП.

-Выводы.

3.6.Контрольные вопросы

-Изобразите схему ЭП и поясните назначение элементов.

-Чему равен коэффициент передачи по напряжению ЭП?

-Чему равен коэффициент усиления по току ЭП?

-Как определить Rвх и Rвых ЭП?

-Каковы достоинства и недостатки ЭП?

-Какие элементы схемы ЭП влияют на величину tф (фронт импульса) и как? Приведите основные соотношения.

-Какие элементы схемы ЭП определяют спад вершины импульса? Приведите основные соотношения.

-Как влияют на ход амплитудно-частотной характеристики ЭП емкости разделительного конденсатора С3?

-Как влияет на ход АЧХ ЭП емкость конденсатора нагрузки С2?

-Почему каскад с общим коллектором называют эмиттерным повторителем?

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

4.1.Цель работы: знакомство со схемой и работой усилителя мощности, определение его характеристик и основных параметров(амплитудно-частотная характеристика, коэффициент усиления, выходная мощность).

4.2.Краткие сведения из теории

Усилитель мощности (УМ) является выходным каскадом УЗЧ и, как правило, работает на низкоомную нагрузку (например, громкоговоритель). Назначением УМ является передача в нагрузку заданной мощности сигнала при допустимом уровне нелинейных и частотных искажений и возможно меньшим потреблением мощности от источника сигнала.

Таким образом, к основным показателям качества УМ следует отнести коэффициент усиления по мощности

	К р	=	Рвых	(4.1.)
			Рвх

и коэффициент полезного действия (КПД)

h = Pвых ,

Pо

где Рвх – мощность сигнала на входе УМ; Рвых – мощность сигнала на выходе;

Ро – мощность, потребляемая от источника питания.

Использование в качестве УМ резисторного однотактного каскада нецелесообразно, так как у него очень низкий КПД (5-6 %).

Значительно повышается КПД УМ при использовании трансформаторного каскада, однако при этом сужается полоса пропускания, увеличивается коэффициент нелинейных искажений, повышается масса, габариты и стоимость.

Устранить перечисленные недостатки можно путем использования двухтактных бестрансформаторных каскадов, работающих как в режиме А, так и в режиме В. Режим В позволяет значительно повысить КПД, поэтому он часто используется в УМ.

Рассмотрим бестрансформаторный усилитель мощности, выполненный на комплементарной паре npn – pnp транзисторов, схема которого изображена на рис. 4.1. При подаче на вход синусоидального сигнала схема будет работать как двухтактная, так как при положительной полуволне входного сигнала -от крывается npn-транзистор, а при отрицательной – транзистор pnp-типа. В дан-

ном случае в качестве предварительного каскада может быть использован обычный резистивный усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером.

25

Рис. 4.1. Двухтактный усилитель мощности

На рис. 4.2 изображена принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности, а на рис. 4.3 – функциональная схема установки для исследования усилителя мощности.

На транзисторе VT1 собран резистивный усилитель напряжения звуковой частоты по схеме с общим эмиттером, R4 – нагрузка каскада. На транзисторах VT2 и VT3 собран усилитель мощности по двухтактной схеме. Диод VD1 предназначен для задания рабочего режима и обеспечения температурной стабилизации рабочей точки.

Рис. 4.2. Принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности

26

ГС		УМ		Осц.
		УМ

Рис. 4.3. Структурная схема установки для изучения усилителя мощности

4.3.Порядок выполнения работы:

-Соберите схему согласно рис. 4.2 и 4.3.

-Включите тумблер "Сеть" базового блока.

-Выставьте частоту ГС 1000 Гц.

-Установите на блоке ГС амплитуду Uвх»0,05 В.

-Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения.

-Исследуйте работу верхнего плеча двухтактного каскада. С этой целью вместо транзистора VT3 включите резистор R =15 кОм, зарисуйте форму выходного сигнала.

-Исследуйте работу нижнего плеча двухтактного каскада. С этой целью вместо транзистора VT2 включите резистор R=15 кОм, зарисуйте форму выходного сигнала.

-Исследуйте влияние диода VD1 на работу выходного каскада. С этой целью включите вместо диода VD1 перемычку.

-Зарисуйте форму выходного сигнала. Замените перемычку на диод.

-Определите коэффициенты усиления по напряжению первого каскада (на VT1) и выходного каскада (на VT2 и VT3), измерив соответствующие напряжения осциллографом.

-Определите общий коэффициент усиления усилителя.

-Определите мощность сигнала на выходе по формуле

	1		U 2
P =		×		вых	, R5 =100 Ом
вых	2			R5

- Определите потребляемую от источника мощность. С этой целью включите в цепь питания усилителя миллиамперметр постоянного тока и- из мерьте потребляемый токI0 выходного каскада. Рассчитайте потребляемую мощность по формуле P0 = I 0 × Eп , ( E п =12 В).

- Вычислите коэффициент полезного действия выходного каскада по формуле

h = Pвых

P0

-Снимите АЧХ усилителя и результаты занесите в таблицу 4.1. Определите полосу усиливаемых частот.

27

								Таблица 4.1
F, Гц	50	100	500	1000	5000	10000	50000	100000
Uвых, В
К= Uвых/Uвх
lg F

4.4. Выполнение лабораторной работы с использованием программы моделирования электронных схем “Electronics Workbench”.

4.4.1. Соберите схему для изучения двухтактного усилителя мощности, изображенную на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Принципиальная схема для изучения двухтактного усилителя мощности

Установите частоту генератора входного напряжения 1000 Гц, амплитуду колебаний 0,05 В. Переключатель (1) должен быть в разомкнутом состоянии, а переключатели (2) и (3) должны соединять эмиттеры транзисторов с левым по схеме выводом конденсатораС2. Активизируйте схему и зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения.

4.4.2.Исследуйте работу верхнего плеча двухтактного каскада. С этой целью переключите переключатель (3). Теперь вместо транзистора VT3 оказывается включен резистор R =1 кОм. Зарисуйте форму выходного сигнала. Восстановите исходное положение переключателя (3).

4.4.3.Исследуйте работу нижнего плеча двухтактного каскада. С этой целью переключите переключатель (2). Теперь вместо транзистора VT2 оказывается включен резистор R=1 кОм. Зарисуйте форму выходного сигнала. Восстановите исходное положение переключателя (2).

28

4.4.4.Исследуйте влияние диодов на режим работы выходного каскада.

Сэтой целью замкните переключатель(1). Теперь диоды оказываются закорочены. Зарисуйте форму выходного сигнала. Восстановите исходное положение переключателя (1).

4.4.5.Определите коэффициенты усиления по напряжению первого каскада (на VT1) и выходного каскада (на VT2 и VT3), измерив соответствующие напряжения осциллографом (подключая его к нужным точкам схемы). Определите общий коэффициент усиления усилителя.

4.4.6. Определите коэффициент полезного действия КПД усилителя, для этого сначала рассчитайте мощность сигнала на выходе по формуле

	1		U 2
P =		×		вых	, R	н	=100 Ом ,
вых	2			Rн

затем определите мощность, потребляемую от источника питания.

P0 = I 0Eс ,

где Eс =12 В, а I0 определяется по показаниям амперметра, включенного в цепь

питания усилителя.

Вычислите коэффициент полезного действия выходного каскада по фор-

муле

h = Pвых

P0

4.4.7. Снимите АЧХ усилителя и результаты занесите в таблицу 4.1 (см. выше). Определите полосу усиливаемых частот.

4.5.Содержание отчета

Отчет о проделанной работе должен содержать схемы рис. 4.1 и 4.2, расчет коэффициентов усиления, АЧХ и выводы.

4.6.Контрольные вопросы

–Каково назначение и качественные показатели усилителя мощности?

–Какие усилительные элементы и режимы работы используются в УМ?

–Какие разновидности каскадов УМ Вы знаете?

–Изобразите схему однотактного и двухтактного трансформаторных каскадов УМ.

–Что такое режим усиления В?

29