4. Оформление отчёта.

Отчет по лабораторной работе выполняется индивидуально в соответствии с требованиями кафедры и содержит:

1. Цель и задачи работы.

2. Схему электрическую принципиальную УМЗЧ.

3. Экспериментальные и расчетные параметры табл.3 для трёх значений R_H.

4. Расчетные и экспериментальные характеристики УМЗЧ:

; ;

и для : ; ; .

Для R_H = R_Нопт, , .

5. Расчет клирфактора К_Г по проходной ДХ для R_Нопт.

6. Оценку влияния глубины ООС на усиление, линейные (частотные) и нелинейные искажения УМЗЧ.

 

4. Контрольные вопросы.

1. Поясните режимы работы УМЗЧ A, B, C, D и их промежуточные варианты.

2. Приведите условия выбора транзисторов в УМЗЧ для различных режимов работы.

3. Как зависит колебательная мощность и КПД от нагрузки для различных режимов УМЗЧ?

4. Поясните схему электрическую УМЗЧ на ИС.

5. Поясните схему электрическую УМЗЧ на комплементарных транзисторах.

6. Поясните схему электрическую УМЗЧ на трансформаторе.

7. Поясните схему электрическую УМЗЧ мостового типа.

8. Поясните метод построения выходной нагрузочной прямой для режимов А и В.

9. Поясните порядок построения сквозной и проходной ДХ УМЗЧ.

10. Приведите порядок вычисления гармоник выходного тока (напряжения) УМЗЧ.

Рекомендуемая литература

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989 – 400с.

2. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учеб. для вузов. – 2^е изд. – М.: Радио и связь, 1983. – 264с.

3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. – М.: Мир. 1991. – 446с.

4. Атаев Д.И., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры.: Справочник – М.: Изд. МЭИ, 1991. – 240с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

(2 часа)

1 Цель работы

Целью данной работы является:

- изучение физических и математических моделей усилительных каскадов с дифференциальным входом и выходом, с эмиттерной связью и по каскодной схеме, а также выполнение расчетов и исследовании параметров и характеристик схем без отрицательной обратной связи (ООС) и с ООС.

- экспериментальное исследование характеристик и параметров указанных усилительных каскадов, способов электронного регулирования их коэффициентов усиления и аналоговых функциональных устройств на основе дифференциального каскада (ДК) и в сравнении результатов опыта с теоретическими расчетами.

2 Краткая теоретическая справка

2.1. Характеристики и параметры ДК

В соответствии с моделью Эберса-Молла (1) токи транзисторов ДК рис. 1 и и их крутизна и по дифференциальному входному напряжению имеют вид:

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

где - коэффициент передачи эмиттерного тока VT1 и VT2 в схеме с ОБ; ;

- температурный потенциал;

Дж/К - постоянная Больцмана;

Кл – заряд электрона;

К – абсолютная температура;

мВ.

Максимальная крутизна имеет место при :

; (5)

; , (6)

где и - крутизна характеристик коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2 плеч ДК.

Рис. 1. Принципиальная схема ДК.

На схеме рис. 1:

VT1, VT2 – транзисторы плеч ДК,

VT3 – транзистор генератора стабильного тока (ГСТ),

VT4, VT5 – транзисторы выходных эмиттерных повторителей (ЭП1 и ЭП2),

, - входное ( ) и выходное ( ) дифференциальные напряжения,

,

- выходное дифференциальное напряжение ДК,

, - передаточные коэффициенты ПЭ1 и ПЭ2 на транзисторах VT4 и VT5,

- входные несимметричные напряжения плеч ДК,

- входные несимметричные напряжения ГСТ ДК,

- выходные несимметричные напряжения плеч ДК с учетом коэффициентов передачи ЭП1 и ЭП2,

, - сопротивления коллекторных нагрузок транзисторов VT1 и VT2.

Характеристики прямой передачи и и их крутизна по дифференциальному входу практически линейны лишь при

рис. 2.

Крутизна прямой передачи зависит от тока , что позволяет управлять усилением ДК путем регулирования этого тока подачей управляющего напряжения на вход 3.

ООС осуществляется включением между выходами ЭП1 (VT4) и ЭП2 (VT5) и входами VT1 и VT2 сопротивлений и с помощью ключей и .

ДК имеет широкие функциональные возможности, связанные со следующими особенностями его принципиальной схемы.

Во-первых, схема характеризуется достаточно хорошими качественными показателями и благодаря симметрии обладает высокой устойчивость основных параметров к дестабилизирующему влиянию внешних факторов.

Во-вторых, сравнительно больше число входов и выходов позволяет легко согласовать ДК с другими каскадами и обеспечивает широкие возможности отрицательных и положительных обратных связей для получения требуемых свойств линейных и нелинейных устройств на основе ДК.

В-третьих, схема может работать как перемножитель двух сигналов, один из которых поступает на Вх1 (или Вх2), а другой – на вход Вх3 (или Вх4), и поэтому пригодна для построения устройств с преобразованием спектров входных сигналов.

В-четвертых, схема допускает значительные вариации режима работы по постоянному и переменному току, осуществляемые изменением входных и питающих напряжений.

Если на дифференциальный вход подать переменное напряжение одной частоты , а на Вх3 – переменное напряжение другой частоты , получим смеситель частот , если на эти же входы подать напряжения одной частоты, сдвинутые по фазе, а в качестве нагрузок и включить фильтры нижних частот, схема будет работать как фазовый детектор. Аналогично можно получить модулятор, умножитель частоты и другие устройства. Вводя цепь положительной обратной связи (ПОС) между Вых1 и Вх2 или Вых2 и Вх1, можно получить в зависимости от характера и параметров используемых накопителей энергии автогенераторы квазигармонических либо импульсных колебаний.

Дня получения низкого выходного сопротивления ДК коллекторы плеч ДК соединены о выходными зажимами Вых1 и Вых2 через ЭП1 и ЭП2 на транзисторах VT4 и VT5, эмиттерны­ми нагрузками которых являются резисторы и . ООС вводится с помощью и .

Коэффициент усиления ДК при допущении :

симметричный вход - симметричный выход

, (7)

где , ;

симметричный вход – несимметричный выход

, (8)

Коэффициент усиления синфазного сигнала ДК, когда на базы VT1 и VT2 подается синфазный сигнал,

,

, (9)

где - динамическое сопротивление ГСТ переменному току.

Динамическое сопротивление ГСТ определяется по формуле

, (10)

где - выходная проводимость транзистора VT3,

- сопротивление делителя переменному току в цепи базы VT3,

- входное сопротивление VT3.

Из выражения (9) следует, что уменьшается с увеличением .

Из рис. 1 видно, что для дифференциального сигнала сопротивление ООС = 0, для синфазного сигнала равно 2 .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)

(11)

или в дБ

.

КОСС уменьшается при шунтировании конденсатором .

Входное сопротивление ДК для дифференциального сигнала (без учета базовых резисторов)

, (12)

где - коэффициент усиления тока базы VT1 или VT2 в схеме с ОЭ.

С целью повышения входного сопротивления необходимо умень­шать за счет уменьшения тока или применять ДК на полевых транзисторах (ПТ).

Выходное сопротивление ДК:

перед ЭП1 и ЭП2:

при симметричном выходе

; (13)

при несимметричном выходе

и . (14)

Регулирование коэффициента усиления ДК в подавляющем большинстве функциональных устройств осуществляется путем изменения тока ГСТ. При этом способе регулирования управляющее напряжение подается на Вх3, а усиливаемое напряжение - на базы транзисторов VT1 и VT2 ДК.

Управление коэффициентом усиления основано на использовании зависимости крутизны характеристики прямой передачи ДК от тока рис. 2.

В (1) показано, что для практических расчетов зависимость коэффициента усиления K от имеет вид:

, (15)

где - коэффициент усиления ДК при , абсолютное значение напряжения источника питания ГСТ.

Выражение (15) справедливо, когда транзистор VT3 рабо­тает в линейном режиме во всем диапазоне изменения напряжения .

Характеристики прямой передачи и и их крутиз­на по дифференциальному входу имеют вид рис.2.

Рис. 2. Характеристики прямой передачи и их крутизна по дифференциальному входу

2.2. Характеристики и параметры ДК с эмиттерной связью

В схеме ДК с эмиттерной связью входное напряжение подается относительно общего провода (несимметрично) на Bx1 (или Вх2), при этом Вх2 (или Вx1) соединён с общим проводом конденсатором.

При этом выходное напряжение может сниматься симметрично или несимметрично . При соединении базы VT2 с общим проводом конденсатором C входной сигнал подается на базу VT1, включенного по схеме ОК с ООС, а второе плечо включено с общей базой (ОБ). Связь между плечами осуществляется за счет динамического сопротивления ГСТ.

Коэффициент усиления каскада:

- при симметричном выходе

, (16)

- при несимметричном выходе

. (17)

Входное сопротивление ДК с эмиттерной связью (без учета базовых резисторов)

, (18)

где - сопротивление перехода БЭ в физической схеме замещения VT1 ( VT2)

, (19)

. (20)

Выходное сопротивление ДК с эмиттерной связью (перед ЭП1 и ЭП2) при несимметричном выходе

, (21)

при симметричном выходе

, (22)

Регулирование коэффициента усиления ДК осуществляется аналогично, как и в п. 2.1, путем изменения ГСТ. При этом способе управляющее напряжение подается на ВхЗ, а усиливаемое напряжение - на базу VT1 Вх1.

Шунтирование резистора конденсатором увеличивает крутизну управления, но при этом снижается КОСC.

Коэффициент усиления линейно зависит от управляющего на­пряжения в пределах линейности характеристики VT3 и определяется по формуле (15).

Возможно регулирование коэффициента усиления путем изменения напряжения смещения. При таком способе регулирования подается на базу VT1, а усиливаемое напряжение - на базу VT3 (ВхЗ). Для улучшения линейности регулировочной харак­теристики между эмиттером VT5 и базой VT2 включается резистор ООС , а базу транзистора VT2 необходимо сое­динить с общим проводом конденсатором C большой емкости, величина которой выбирается из условия

;

- низшая частота усиливаемого сигнала.

2.3. Характеристики и параметры каскадного усилителя

В схеме каскадного усилителя входной сигнал подается на базу VT3 (Вход 3), эмиттер которого соединяется с общим проводом конденсатором , а выходной сигнал снимается с коллектора VT2 через буферный повторитель на VT5. При этом база транзистора VT2 должна быть соединена по переменному току конденсатором C с общим проводом.

При указанном включении схема ДК (рис.1) работает как каскадный усилитель типа ОЭ-ОБ. Коэффициент усиления по напряжению определяет в основном схема с ОБ, так как каскад на VT3 с ОЭ работает на низкое входное сопротивление каскада с ОБ на VT2:

,

. (23)

Входное сопротивление каскадного усилителя с учетом сопротивлений , в цепи базы VT3

. (24)

Выходное сопротивление каскадного усилителя

. (25)

Выходное сопротивление схемы (рис. 1) с учетом эмиттерного повторителя на

, (26)

где - крутизна тока коллектора транзистора VT5.

Управление коэффициентом усиления возможно напряжением , подаваемым в цепь эмиттера VT3 (Вход 4).

Глубина F ООС в каскодном усилителе определяется величиной , при отсутствии конденсатора , и равна

. (27)