Исследование многокаскадного транзисторного усилителя.

Цель работы:

1. Ознакомление с принципом действия трехкаскадного транзисторного усилителя.

2. Ознакомление с назначением элементов принципиальной схемы.

3. Приобретение практических навыков при определении основных параметров и характеристик усилителя.

4. Экспериментальное исследование влияния отрицательных обратных связей (ООС) на основные параметры усилителя.

 

Краткие теоретические сведения:

Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Нагрузкой усилителя может быть не только потребитель электрической энергии, но и вход другого усилителя. Такой усилитель называется многокаскадным и представляет собой цепочку (рис 5.1) на входе которой подключен источник усиливаемого сигнала, а к выходу подключена нагрузка.

Рис 5.1. Структурная схема многокаскадного усилителя: 1 – n - номера

каскадов усилителя.

Каскад представляет законченную самостоятельную часть усилителя, которая может функционировать самостоятельно.

Каскады нумеруются от 1 до n в возрастающем порядке от входа. Первый каскад называется входным,предпоследний – предвыходным или предокон-ечным, а последний – выходным или оконечным.

При передаче сигналов переменного тока или напряжения широко распространен способ соединения выхода предыдущего каскада с входом следующего при помощи конденсаторов. Такие усилители называются усилители с RC-связями, которые каскады разделяют по постоянному току.

Роботу любого усилителя можно оценить различными количественными и качественными параметрами.

К количественным параметрам относятся: коэффициенты усиления по напряжению - ; по току - ; по мощности - ; входное сопротивление - ; выходное сопротивление - .

К качественным параметрам относятся: коэффициент нелинейных искажений и коэффициент частотных искажений .

При усилении сигнала усилитель вносит нелинейные и линейные искажения, которые оцениваются качественными параметрами. Оба вида искажений изменяют форму выходного сигнала, но причины их появления и методы компенсации различны.

Нелинейные искажения связаны с наличием в схеме усилителя нелинейных элементов (транзисторов, диодов, трансформаторов и т.д.). Оцениваются они коэфициентом нелинейных искажений

,

где n-номер гармоник.

Линейные искажения связаны с наличием в схеме усилителя частотно- зависимых элементов (транзисторов, диодов, конденсаторов, индуктивностей и т.д.). Поэтому коэффициент усиления в общем случае рассматривается как комплексное число:

,

где - модуль коэффициента усиления,

- фаза коэффициента усиления (или аргумент).

На практике отдельно рассматривают зависимость от частоты (f) модуля и аргумента. Поэтому вводят понятия амплитудно- частотной характеристики (АЧХ) (рис 5.2а) и фазо-частотной характеристики (ФЧХ) (рис5.2б)

 

 

При оценке неравномерности частотной характеристики усилителя пользуются коэффициентом частотных искажений М(), дающим количественную оценку линейных искажений:

; , Где – K₀ -max коэффициент К на средней частоте усилителя ( =2 );

K _H- модуль коэффициента усиления на нижней граничной частоте- ; - модуль коэффициента усиления на верхней граничной частоте- ; , определяются по АЧХ на уровне 0.7 .

Зная граничные частоты и , можно вычислить условную полосу пропускания усилителя:

Рассмотрим назначение элементов, входящих в принципиальную схему(рис.5.3):

Рис.5.3.Принципиальная схема виртуального транзисторного усилителя.

-источник коллекторного питания +15В, питающий все транзисторы;

-делитель резисторный в цепи базы транзистора каждого каскада

R-50кОм и R-10кОМ для выбора начального положения рабочей точки

транзистора (задание класса ”А”);

- -5кОм в цепи коллектора транзистора каждого каскада для нагрузки транзистора; - -300Ом; -700Ом; С _Э-10мф –в цепи эмиттера каждого каскада для температурной стабилизации каскада. При отключении конденсатора С _Э -вводится последовательная отрицательная обратная связь ООС по току.

Рассмотрим что такое обратная связь и ее влияние на параметры усилителя.

Обратной связью называют передачу части мощности с выхода усилителя или его каскада на его вход (рис.5.4).

Рис.5.4. структурная схема усилителя с обратной связью.

На рис.5.4. -любой параметр усилителя; -коэффициент передачи цепи обратной связи. Различают два вида специально вводимой обратной связи:

1) положительную (ПОС), если в результате ее введения коэффициент усиления возрастает.При ПОС фаза напряжения, подаваемого с выхода усилителя на его вход (фаза напряжения ОС) совпадает с фазой входного сигнала;

2)отрицательную(ООС),если в результате введения ОС коэффициент усиления

уменьшается. При ООС фаза напряжения ОС противоположна фазе входного

сигнала. В усилителях обычно применяют ООС, а в генераторах колебаний

ПОС. Обратная связь классифицируется по способу получения напряжения

ОС на выходе усилителя(по способу получения напряжения ОС) и по

способу подачи напряжения ОС на вход усилителя. По способу получения

обратные связи подразделяют:

- по напряжению (рис.5.5а),когда напряжение пропорционально

напряжению на выходе усилителя ;

-по току (рис.5.5.б),когда напряжение ос пропорционально току нагрузки ;

-комбинированную (рис.5.5в)

Рис.5.5. Структурная схема усилителя с ОС: а-с ОС по напряжению; б-с ОС

по току; в- с ОС комбинированной.

По способу подачи напряжения на вход усилителя обратные связи

подразделяются:

-на последовательную ОС (рис5.6а), когда напряжение подается на

входусилителя последовательно с напряжением ;

-на параллельную ОС (рис5.6б),когда напряжение подается на вход

усилителя параллельно с :

 

 

Рис 5.6. Структурная схема усилителя с ОС: а – с последовательной ОС;

б – с параллельной ОС;

Различные ООС по разному влияют на количественные и качественные параметры усилителя. Рассмотрим влияние ООС на коэффициент усиления усилителя. При введении ООС в усилитель коэффициент усиления по напряжению уменьшается.

,

где - коэффициент усиления с ООС; - коэффициент усиления усилителя без ОС; - коэффициент передачи цепи ОС.

При этом улучшается стабильность усилителя. Рассмотрим влияние ОС на входное сопротивление . Входное сопротивление усилителя или каскада зависит от того, как напряжение ОС подается на вход усилителя. Если ОС последовательная, то увеличивается:

,

а если ОС параллельная, то уменьшается:

.

Следовательно, не зависит от того какая ОС – по току или по напряжению, а зависит от того – последовательная или параллельная.

Влияние ООС на . ООС по напряжению уменьшает :

,

а ООС по току увеличивает : . Следовательно, не зависит от того, как подается напряжение на вход усилителя (последовательно или параллельно), а зависит от способа получения .

Следует также отметить, что ООС улучшает качественные параметры усилителя или его каскадов. Так при ООС АЧХ спрямляется, то есть увеличивается его полоса пропускания, а ФЧХ становится более линейной.

 

Описание виртуальной лабораторной установки

Виртуальная лабораторная установка Рис.5.7 состоит из трёхкаскадного транзисторного усилителя с RC–связью между каскадами на транзисторах n-p-n типа MPS3904; генератора синусоидальных сигналов; двухлучевого ос-циллографа; построителя АЧХ; двух миллиамперметров переменного тока для измерения входного и выходного токов; переключателей 1,2,3 для введения последовательных отрицательных обратных связей по току для постоянного тока; переключатель “Space” для подключения канала “В” осциллографа к выходу 1-го или 2-го каскадов усилителя; переключателя “Enter” для подключения канала “В” осциллографа к выходу 3-го каскада усилителя;

 

Рис.5.7.Принципиальная схема виртуального транзисторного усилителя

 

Домашнее задание

 

1. Изучить работу транзисторного усилителя и назначение элементов принципиальной схемы.

2. Изучить виды отрицательных обратных связей (ООС) и влияние их на основные параметры усилителей.

3. Изучить методические указания по использованию пакета Electronics Workbench.

4. Для вызова программы исследования транзисторного усилителя необходимо выполнить:

1. Получить у преподавателя вариант задания на моделирование;

2. Вызвать пакет Electronics Workbench;

3. Выбрать файл 5-1-*.

 

Лабораторная работа 5.1

 

Порядок выполнения работы

 

1. Подключить канал “B” осциллографа к выходу 1-го каскада усилителя. Для этого переключатели “Space” и “Enter” должны быть в верхнем положении (это делается нажатием одноимённых клавиш).

2. Включить схему. Для этого левой кнопкой мыши перевести переключатель схемы в положение “1” и два раза щёлкнуть на пиктограмме осциллографа. После появления изображения на экране осциллографа развернуть его щелкнув на кнопке “Expend” осциллографа.

3. Установить на канале “A” масштаб 1mV/div, а на канале “B” – 10mV/div. С помощью вертикальных визирных линеек 1 или 2 измерить амплитуду входного U_ВХ1 и выходного напряжения U_ВХ2. Зафиксируйте сдвиг фазы входного и выходного сигналов. Полученные осцил-лограммы зарисовать и представить в отчёте. Вычислить коэффициент усиления по напряжению первого каскада К_U1 по формуле

К_U1= U_ВЫХ/ U_ВХ1.

4. Определить коэффициент усиления 1-го каскада усилителя при включении ООС по току, для этого переключатель “1” перевести в верхнее положение (нажать клавишу “1”). С помощью осциллографа измерять напряжения U_Вх1 и U_{Вых1.ООС} .Для этого мышью щёлкнуть на кнопке “Pause” и изображение на осциллографе остановится. Выполнить вычисления по формуле

К_U1.ООС.1 = U_{ВЫХ1.ООС}/ U_ВХ1.

5. Отключить ООС по току. Для этого переключатель “1” вернуть в нижнее положение и определить коэффициент усиления 2-го каскада усилителя. Второй канал “B” осциллографа подключить к выходу 2-го каскада усилителя, нажав клавишу “Space”. При этом переключатель “Space” должен быть в нижнем положении, а масштаб канала “B” сделать равным 50mV/div. С помощью мыши щёлкнуть на кнопке “Pause”, чтобы остановить изображение на экране осциллографа. С помощью визирных линеек “1” и “2” измерить U_Вых2 на выходе 2-го каскада усилителя. При этом считать, что входное напряжение 2-го каскада равно выходному напряжению 1-го каскада.

К_U2 = U_ВЫХ2 / U_ВЫХ1.

Зафиксируйте сдвиг фаз между входным напряжением усилителя и U_ВЫХ2 . Зарисуйте осциллограмму входного и выходного напряжения второго каскада усилителя. Результаты занести в отчёт.

6. Определить коэффициент усиления 3-го каскада усилителя. Для этого переключатель “Enter” перевести в нижнее положение и на втором канале осциллографа “B” установить масштаб 2V/div. С помощью мыши щёлкнуть на кнопке “Resume” затем остановить изображение(щёлкнуть мышью на кнопке “Pause”). Измерить выходное напряжение 3-го каскада U_ВЫХ3 , при этом считать, что входное напряжение 3-го каскада равно выходному напряжению 2-го каскада.

U_ВЫХ2 = U_ВХ3

К_U3 =U_ВЫХ3 / U_ВЫХ2.

Зафиксируйте сдвиг фаз между входным напряжением усилителя и U_ВЫХ3 . Зарисуйте в масштабе осциллограммы

7. Определить общий коэффициент усиления трёхкаскадного усилителя на частоте 3кГц по формуле

К_ОБЩ = U_ВЫХ3 / U_ВХ1.

8. Вычислить общий коэффициент усиления К_ОБЩ как произведение коэффициентов усиления каждого каскада

К_ОБЩ = К₁* К₂* К₃.

Результаты 7 и 8-го опытов должны совпадать.

Выключить осциллограф щелчком мыши на “x”