Контрольные вопросы

1. Покажите на схеме вход и выход каскада и поясните назначение конденсаторов С₂₂ и С₅.

2. Для случая ХХ покажите на схеме главную цепь каскада, т.е. контур, в котором протекает усиленный ток.

3. Поясните назначение резисторов R₁₂ и R₂₃.

4. Каким образом осуществляется температурная стабилизация каскада?

5. Какова роль конденсатора С₆?

6. Как связаны между собой фазы входного и выходного сигналов?

7. Как связаны между собой фазы выходного сигнала и напряжения на эмиттере в схеме с ослабленной ООСС по току эмиттера?

8. Почему коэффициент усиления напряжения с нормальной ООСС по току меньше, чем при ослабленной ООСС?

9. По полученной схеме замещения каскада в режиме покоя найти U_к, если R₂₄ уменьшить в два раза.

10. Как определить экспериментально коэффициент усиления каскада по напряжению?

11. Объяснить по полученным осциллограммам принцип работы каскада.

12. Объяснить влияние ООСС на входное сопротивление каскада.

13. Как изменится коэффициент усиления каскада с возрастанием температуры при ослабленной и нормальной ООСС?

14. Как изменится входное сопротивление каскада с возрастанием температуры при ослабленной и нормальной ООСС?

15. Как изменится коэффициент усиления каскада с возрастанием R₂₄ при ослабленной и нормальной ООСС?

16. Как изменится входное сопротивление каскада с возрастанием R₂₄ при ослабленной и нормальной ООСС?

17. Какой из режимов работы усилителя по выходу (ХХ, КЗ, согласованный) наиболее близок к режиму, в котором работает исследуемый каскад?

18. Укажите элементы с наибольшей рассеиваемой мощностью постоянного тока.

19. Как изменятся U_к, I_к, если движок реостата R₂₃ двигать вниз (по схеме)?

20. Как изменятся U_к, I_к, если последовательно с R₁₂ включить еще один резистор?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

«Определение основных параметров и характеристик транзисторного усилителя напряжения переменного тока низкой частоты (уннч)»

Цель работы:

1. Изучение теоретических сведений [1, c.157-178; 2, c.135-144,157-172] и методики проведения экспериментов (см. п.3.1).

2. Измерение амплитудных, амплитудно-частотных и переходных характеристик УННЧ.

3. Измерение входного и выходного сопротивлений УННЧ.

4. Анализ влияния отрицательной обратной связи по переменному току (сигналу) на характеристики и параметры УННЧ.

3.1. Краткие теоретические сведения и описание экспериментов

В лабораторной работе исследуется однокаскадный УННЧ, принципиальная схема которого представлена на рис.2.1. В отличие от предыдущей работы, где изучался принцип действия конкретного каскада, в данном случае интерес представляют параметры и характеристики УННЧ как функционального устройства. Ниже кратко рассматривается их физический смысл и методики экспериментального определения.

3.1.1 Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя напряжения называется зависимость

U_{вых m} =F(U_{вх m}) , (3.1)

где U_{вых m}, U_{вх m} -амплитуды выходного и входного напряжений соответственно.

Типичный вид АХ реального УННЧ показан на рис.3.1, кривая 1. АХ имеет нелинейный характер и может быть условно разбита на три участка:

 участок 1-2 обусловлен собственными шумами УННЧ, приводящими к появлению на выходе напряжения U_ш . Здесь входной сигнал фактически теряется на фоне шумов. Однако в точке 2, т.е. при U_{вх m} =(U_{вх m})_min , выходной сигнал уже ясно наблюдается;

 участок 2-3 практически линеен и совпадает с идеальной АХ. По мере увеличения U_{вх m} нарастают нелинейные искажения и в т.3 при (U_{вх m})_max они достигают максимально допустимого значения. По данному участку можно найти коэффициент усиления по напряжению K_U и динамический диапазон D:

(3.2) (3.3)

 участок выше точки 3 характерен нарушением линейности АХ, что вызвано нелинейностью входных и выходных ВАХ, а также конечным напряжением питания УННЧ. Форма u_вых значительно искажается и появляются участки ограничения (см. рис. 3.1) .

Рис. 3.1. Амплитудная характеристика УННЧ: 1- реальная; 2- идеальная

В общем случае АХ УННЧ зависит от частоты, вида ОС, нагрузки и температуры.

При экспериментальном снятии АХ в качестве входного сигнала используется синусоидальное напряжение, частота которого постоянна (для УННЧ – обычно несколько килогерц), а амплитуда изменяется от нуля до величины, соответствующей ограничению выходного напряжения. Входной и выходной сигналы измеряются с помощью двухканального осциллографа или вольтметров амплитудного значения. При наличии измерителя нелинейных искажений желательно для каждой точки АХ измерить соответствующее значение коэффициента гармоник.

3.1.2. Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, обусловленная влиянием реактивных элементов усилителя, а также частотной зависимостью параметров транзисторов.

Э та характеристика важна при усилении несинусоидальных сигналов, состоящих из гармоник различных частот. Для УННЧ примерный вид АЧХ приведен на рис 3.2.

Рис. 3.2. Амплитудно-частотная характеристика УННЧ: 1- идеальная; 2- реальная

Поскольку гармонические составляющие сигнала усиливаются в различной степени, выходной сигнал будет отличаться по форме от входного. Это явление называется линейными или частотными искажениями. Не следует смешивать данное понятие с нелинейными искажениями, так как они имеют разные причины.

Полосой пропускания УННЧ называют диапазон частот , в котором

,

где - максимальный коэффициент усиления.

Как видно из рис 3.2, реальная АЧХ отличается от идеальной в области нижних и верхних частот. Низкочастотный подъем АЧХ обусловлен влиянием конденсаторов С₂₂, С₅ и С₆ . Высокочастотный спад обусловлен зависимостью  транзистора от частоты, а также эквивалентной емкостью выхода усилителя, осциллографа и нагрузки C_н.

Следует отметить, что K_U(0)= 0, т.е. УННЧ не пропускает постоянную составляющую сигнала из-за наличия С₅ и С₂₂. В общем случае АЧХ зависит от вида обратной связи, нагрузки и температуры.

При экспериментальном снятии АЧХ УННЧ частоту входного синусоидального сигнала изменяют от 10 Гц до 50-100кГц, а амплитуду поддерживают постоянной для всех частот.

Амплитуда на входе должна быть достаточно малой, чтобы нелинейными искажениями на выходе можно было пренебречь («малый сигнал»). Будем считать сигнал малым, если при его двукратном увеличении нелинейные искажения на выходе не превысят допустимого значения [5], то есть

.

Измерение входного и выходного сигналов осуществляется либо осциллографом, либо вольтметрами амплитудного или действующего значения. Фиксируется несколько точек в пределах каждой декады: 10-100 Гц; 100-1000Гц; 1000-10000 Гц и 10000-100000 Гц. и для них вычисляется K_U по формуле

или . (3.4)

Результаты представляются в виде логарифмических АЧХ (или ЛАЧХ [1, с.163]). Иногда в литературе их называют диаграммами Боде. Следует отметить, что существуют приборы - измерители частотных характеристик (ИЧХ), представляющие собой комбинацию генератора непрерывно изменяющейся («качающейся») частоты и осциллографа. Генератор задает входной сигнал и одновременно управляет разверткой осциллографа. В результате на его экране можно наблюдать АЧХ, что очень удобно при настройке усилителя.

3.1.3 Переходной характеристикой (ПХ) усилителя h(t) называется зависимость выходного сигнала от времени при воздействии на вход единичного скачка напряжения. Для исследуемого УННЧ примерный вид ПХ приведен на рис. 3.3.

Рис.3.3. Переходная характеристика инвертирующего УННЧ: t₀ – начало процесса; t₁-условный конец процесса; t_сп – время спада

Как уже было сказано выше, УННЧ не пропускает постоянную составляющую. Однако в течение промежутка t₀ < t < t₁ напряжение на выходе присутствует. Это следствие переходных процессов в схеме УННЧ, которые вызваны наличием реактивных элементов и динамическими свойствами транзистора. Таким образом, ПХ характеризует динамические свойства усилителя.

Для непосредственной регистрации ПХ требуется запоминающий осциллограф. При его отсутствии применяют метод искусственной периодизации процесса и используют обычный осциллограф. Суть метода периодизации состоит в том, что вместо единичного скачка на вход усилителя подают прямоугольные периодические импульсы (меандр), длительность которых должна быть достаточна для затухания переходного процесса в УННЧ. Амплитуда импульсов должна быть малой, т.е.

.

Как следует из рис.3.4, на выходе присутствуют периодические импульсы, каждый из которых приближенно представляет ПХ.

Рис.3.4. Получение ПХ методом искусственной периодизации

Для получения правильных числовых значений необходимо разделить u_вых на 2U_и.

При экспериментальном определении ПХ следует учитывать два обстоятельства:

1) реализовать идеально крутые фронты входных импульсов невозможно, поэтому реальный меандр представляет собой, по существу, трапецеидальные импульсы с конечной длительностью фронта t_ф (см.рис.3.5). Для генератора Г6-43 t_ф  150 нс.

Рис.3.5. Реальный вид “прямоугольных” импульсов

2) для неискаженного наблюдения формы импульсов полоса пропускания усилителя вертикального канала осциллографа должна удовлетворять, по меньшей мере, следующему неравенству:

.

Применяемые в данном лабораторном практикуме осциллографы удовлетворяют этому условию. Для особо качественного наблюдения ∆F_B следует увеличить в пять раз [6].

3.1.4 Полное входное сопротивление УННЧ (входной импеданс) определяется как отношение малых синусоидальных входных сигналов напряжения к току:

. (3.5)

В данном выражении могут использоваться либо амплитудные, либо действующие значения. Полное входное сопротивление зависит от частоты, температуры и вида обратной связи.

Схема измерения Z_вх представлена на рис.3.6.

Рис.3.6. Принципиальная схема измерения полного входного сопротивления: UZ-генератор синусоидальных сигналов; PV1, PV2-вольтметры; R_T -измерительный резистор; U-УННЧ

Последовательно со входом включается измерительный резистор R_T с номиналом несколько килоом. В схеме рис.2.1 в качестве R_T используется R₁₇, для чего шунтирующую перемычку следует удалить. От генератора UZ подается малый сигнал синусоидальной формы.

Напряжения на генераторе (U_Г) и на входе УННЧ (U_вх) измеряются вольтметрами PV1 и PV2 соответственно. Далее по закону Ома можно определить входной ток УННЧ

.

Подставляя последнее выражение в (3.5), имеем

. (3.6)

На средних частотах Z_вх практически чисто активное, т.е.. Z_вх = R_вх. На низких частотах сказывается влияние конденсаторов и Z_вх возрастает. На высоких частотах Z_вх уменьшается, что обусловлено зависимостью  транзистора от частоты, а также влиянием проходной емкости транзистора C_КБ (эффект Миллера). Для увеличения Z_вх ко входу подключается эмиттерный повторитель (схема с общим коллектором) [1, с.80-81; 2, с.217-219].

3.1.5.Полное выходное сопротивление УННЧ (выходной импеданс) определяется как отношение приращений малых синусоидальных выходных сигналов напряжения к току, обусловленных изменением нагрузки:

. (3.7)

В последнем выражении могут использоваться либо амплитудные, либо действующие значения.

Модуль в (3.7) необходим, поскольку в исследуемом УННЧ положительное приращение тока нагрузки вызывает отрицательное приращение напряжения на ней и наоборот. Чтобы найти приращения, входящие в (3.7), необходимо сделать два опыта при разных нагрузках. Одним из них может быть холостой ход усилителя, когда R_н.. В этом случае ; . Во втором опыте измеряется напряжение на нагрузке . Тогда

, .

Подставляя данные выражения в (3.7) с учетом , имеем

 (3.8)

Если выбрать R_н таким, что , то из (3.8) следует Z_вых = R_н

Такой режим называется согласованным и используется для передачи максимальной мощности в нагрузку. Однако для УННЧ характерен режим работы, когда R_н >>Z_вых. Если данное неравенство не выполняется при заданном R_н, то для уменьшения Z_вых применяется эмиттерный повторитель.