Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Усилитель низкой частоты

Цель работы: исследование характеристик и параметров усилителя низкой частоты.

 

 

Список литературы.

1. Лачин В.И., Савелов И.С. Электроника: учеб. пособие. – Ростов-на-Дону: изд-во Феникс, 2000.

 

Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе.

 

Усилителем называется устройство, позволяющее увеличивать мощность слабого сигнала за счет источника энергии, питающего усилитель. Входной сигнал изменяет сопротивление нелинейного элемента (транзистора), находящегося внутри усилителя. Вследствие этого меняется мощность, поступающая от источника питания в выходную цепь усилителя.

Свойства усилителя характеризуются, прежде всего, коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе.

.

Коэффициентом усиления по току называется отношение тока сигнала на выходе усилителя (через нагрузку) к току сигнала во входной цепи.

.

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение мощности сигнала на нагрузке к мощности входного сигнала.

.

Рассмотрим одну их характерных схем усилителя с общим эмиттером на транзисторе

p-n-p типа (рис.7.1.).

В этой схеме сопротивления и являются делителем напряжения источника питания (рис.7.2) и служат для получения постоянного напряжения на базе транзистора . Величина постоянной

 

Рис. 7.1. Схема усилителя с общим эмиттером

 

составляющей напряжения на базе выбирается таким образом, чтобы значение напряжения между базой и эмиттером транзистора , связанное с уравнением находилось в пределах 0.2 – 0.7 В.

Сопротивления и выбирают достаточно малыми чтобы ток, проходящий через них, был во много раз больше тока базы. Обычно берут в несколько раз меньше, чем . Однако нельзя уменьшать значительно, т. к. в этот резистор ответвляется переменная составляющая входного тока . Поэтому обычно берут в несколько раз большим, чем входное сопротивление транзистора по переменному току . Сопротивление отличается от сопротивления по постоянному току из-за нелинейности тока и напряжения на базе транзистора представленной зависимостью на рис. 7.5.

Включение резистора в цепь эмиттера изменяет работу каскада как по постоянному току, так и при усилении переменного сигнала. При увеличении, на­пример, из-за роста температуры постоянного то­ка коллектора покоя I_К0 возрастают ток эмиттера покоя I_э0 и падение напряжения на резисторе , по­скольку . Так как напря­жение на базе фиксировано де­лителем напряжения , и , то с увеличением напряжения уменьшается напряжение . Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя и, следовательно, снижению тока коллектора покоя. Тем самым произво­дится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя.

Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе падение напряжения , которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь . При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует отрицательная обратная связь по пере­менному току. Для ее исключения резистор R_Э шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку реактивное сопротивление конден­сатора определяемое по формуле мало, так как велико значение Сэ, то переменный ток протекает по нему и не создает падения на­пряжения на резисторе .

Резистор R_к предназначен для преобразования изменений тока коллектора в изменение напряжения между коллектором и эмиттером U_кэ. Запишем формулу:

,

где - ЭДС источника питания усилителя. Из этой формулы следует, что если , то никакие изменения коллекторного тока не приведут к изменению напряжения . Нагрузка подключается к напряжению через конденсатор к напряжению .

Разделительные конденсаторы и не пропускают постоянный ток от источника питания в нагрузку и в источник входного сигнала.

Рис.7.2. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты.

 

Частоты, на которых происходит снижение максимального коэффициента усиления в раз, называют верхней и нижней граничными частотами, а разность частот - полосой пропускания.

На высоких частотах коэффициент усиления уменьшается из-за шунтирующего действия паразитных емкостей транзистора, емкостей монтажа схемы усилителя. Рассмотрим механизм действия паразитной емкости между проводниками коллектора и базы. Через емкость часть усиленного переменного напряжения коллектора в виде напряжения поступает на базу транзистора и отличается от него по фазе на 180 градусов. В результате при сложении переменных сигналов напряжения с коллектора и базы результирующее напряжение стремится к нулю и амплитуда выходного переменного напряжения уменьшается рис. 7.3.

В области низких частот спад частотной характеристики обусловлен, главным образом, большим емкостным сопротивлением разделительного конденсатора . Поскольку на низкой частоте значение емкостного сопротивления, например, очень велико и переменный ток протекающий по нему очень мал.

Рис.7.3.Временные диаграммы суммы паразитного сигнала с коллектора и напряжения базы .

 

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость значения выходного напряжения сигнала от входного. Типичный вид амплитудной характеристики показан на рис.7.4.

Рис. 7.4. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика не проходит через начало координат из-за наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. При больших амплитудах нарушается пропорциональная зависимость входного и выходного напряжения. Причиной этого явления перегрузка нелинейных элементов, входящих в схему усилителя (транзисторов, трансформаторов с ферромагнитными сердечниками).

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов схемы усиления. Основная причина появления нелинейных искажений – нелинейность входных и выходных характеристик транзисторов.

При передаче на транзистор сигналов большой амплитуды величина нижнего полупериода выходного тока притупляется от криволинейности начала выходной характеристики транзистора, а величина верхнего – от сближения выходных характеристик при больших токах.

Рис. 7.5. Возникновение нелинейных искажений во входной цепи транзистора

 

Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений во входной цепи транзистора (рис. 7.5.). Пусть к входной цепи транзистора подключено гармоническое косинусоидальное напряжение . Форма входного тока искажается из-за нелинейности входной характеристики транзистора (рис.7.4.) Нелинейные искажения входного тока передаются в выходную цепь и выходное напряжение из гармонического преобразуется в периодическое, которое можно представить рядом Фурье

 

.

 

Для оценки искажения формы выходного сигнала используется коэффициент нелинейных искажений , который определяется по формуле

 

.