Исследование работы транзисторного усилителя на модульной основе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование работы транзисторного усилителя на модульной основе

Цель работы: исследование влияние обратной связи на характеристики и параметры усилителя: коэффициент усиления, частотную характеристику, входное и выходное сопротивления.

Электронным усилителем называется устройство, которое при воздействии на его вход сигнала образует на выходе сигнал, подобный входному, но с большим уровнем мощности. Увеличение мощности происходят за счет потребления энергии источника питания. Усилитель содержит усилительные элементы (лампы транзисторы, туннельные диоды и т.п.), источник питания и цепь нагрузки. Для соединения усилительного элемента с источником сигнала, источником питания и нагрузкой, используют пассивные элементы: резисторы конденсаторы трансформаторы.

Усилители широко применяются во всех областях науки и техники: в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих и регулирующих системах в счетно-решающих и вычислительных машинах контрольно-измерительных приборах

1. Классификация усилителей

усилитель радиоэлектронный обратный частотный

Усилители классифицируются по ряду признаков:

по роду усилительных элементов (ламповые, транзисторные, на интегральных микросхемах);

по роду усиливаемой величины (усилители напряжения, усилители тока, усилителя мощности);

по характер усиливаемого сигнала (усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т.д.);

по числу каскадов (одно-, двух- и многокаскадные).

Но наиболее существенным квалификационным признаком является диапазон частот усиливаемых сигналов. Известно, что сигнал сложной формы можно представить в виде суммы гармонических колебаний, частоты которых заключены в некотором диапазоне. Возможность использования устройства для усиления сигнала определяется его способностью равномерно усиливать определенный диапазон частот этого сигнала от до ( и - граничные частоты: нижняя и верхняя соответственно). По данному признаку различают следующие типы усилителей:

Усилители низких частот (УНЧ), предназначенные для усиления периодических сигналов в звуковом диапазоне частот ( составляет несколько Гц, а - несколько десятков кГц).

Усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие медленно меняющиеся напряжения и токи ().

Избирательные или селективные, предназначенные для усиления сигналов в очень узкой полосе частот ().

Широкополосные усилители, усиливающие сигналы в очень широкой полосе частот ().

2. Основные технические характеристики усилителей

2.1 Определение и эквивалентная схема усилителя

Свойства усилителя определяются его техническими показателями, важнейшими из которых являются: коэффициенты усиления (или передачи) по напряжению, току, входное и выходное сопротивления усилителя, диапазон усиливаемых частот, максимальная выходная мощность, динамический диапазон, вносимые усилителем искажения.

В общем случае усилитель можно представить в виде нелинейного частотно-зависимого активного четырехполюсника, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным - сопротивление нагрузки . В качестве источника входного сигнала могут быть: микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара и т.д. Типы нагрузок также разнообразны: громкоговоритель, измерительный прибор, головка магнитофона, осциллограф, реле, последующий усилитель.

На рисунке 1 приведена одна из возможных эквивалентных схем усилительного каскада.

Рисунок 1 - Эквивалентная схема усилителя

Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения с ЭДС , имеющего внутреннее сопротивление . Со стороны выхода усилитель представлен в виде генератора напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением . Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки

Рассмотрим подробнее те основные технические характеристики, которые изучаются в данной работе.

2.2 Комплексный коэффициент усиления

Комплексный коэффициент усиления (или передачи) определяется как отношение комплексных амплитуд сигнала на выходе и входе усилителя. Различают:

- комплексный коэффициент усиления напряжения;

- комплексный коэффициент усиления тока.

Эти коэффициенты связаны соотношением:

Если на входе усилителя действует сигнал с комплексной амплитудой напряжения , а на выходе устройства появляется напряжение , то коэффициент усиления в этом случае тоже комплексная величина:

 (1)

Модуль и фаза зависят от частоты.

В области средних частот усиление, как правило, постоянно, а фазовый сдвиг в зависимости от типа усилителя может быть равен , т.е. постоянен. Следовательно .

Обычно для одного каскада достигает нескольких десятков или сотен. Но если этого недостаточно, создают многокаскадный усилитель, для которого и соответственно и . Например, если , то усилитель называется трехкаскадным и или .

Рисунок 2 - Структурная схема трехкаскадного усилителя

Из рисунка 2 видно, что

. (2)

- величина безразмерная и для современных усилителей, как правило, выражается громоздким числом. Поэтому для удобства коэффициент усиления выражают в децибелах /дБ/;

- усиление в децибелах.

2.3 Входное и выходное сопротивление нагрузки

Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя. Оно равно

, (3)

где - напряжение на входных клеммах усилителя, - входной ток. Входное сопротивление не зависит от величины , но зависит от импеданса нагрузки .

Выходное сопротивление усилителя определяется по формуле:

, (4)

где - выходное напряжение на разомкнутых выходных клеммах усилителя, (Данный режим работы усилителя называется режимом холостого хода ). - выходной ток при закороченных выходных клеммах усилителя - режим коротком замыкании .

Величина зависит от параметров усилителя и сопротивления генератора входного сигнала , но не зависит от сопротивления нагрузки .

Но на практике режим короткого замыкания для большинства усилителей фактически недопустим: в момент короткого замыкания стремительно возрастает, превосходя номинальные значения тока усиливающего элемента, и усилитель выходит из строя.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления источник сигнала может работать в режимах:

Холостого хода ;

Короткого замыкания ;

Согласования .

Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи:

- холостой ход;

- короткое замыкание;

- согласование.

2.4 Диапазон усиливаемых частот

Весьма важным свойством усилителя является точность воспроизведения формы входного сигнала. Но так как сигнал любой формы можно представить в виде суммы гармонических сигналов различных частот, то полоса частот, в которой коэффициент усиления не изменяется, должна быть как можно шире. Идеальной частотной характеристике соответствует прямая

Но в результате наличия в усилителе различных реактивных элементов (емкости, индуктивности) и нелинейных элементов (лампы, транзисторы) величина изменяется в области как низких, так и высоких частот (рисунок 3).

Полоса пропускания усилителя численно равна . Граничные частоты и соответствуют таким предельным частотам, при которое величина уменьшается от своей максимальной величины в раз, т.е. составляет примерно (рисунок 3).

Рисунок 3 - Частотная зависимость коэффициента усиления и определение по ней полосы пропускания усилителя

3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

3.1 Схема включения транзистора с общим эмиттером

Если представить транзистор в виде четырехполюсника, то в силу того, что у транзистора имеется только три электрода, при любом включении один из электродов будет общим. В зависимости от того, какой из электродов при данном включении является общим, схемы включения транзистора бывают:

С общей базой (ОБ);

С общий эмиттером (ОЭ);

С общим коллектором (ОК).

Наиболее распространенной и универсальной по параметрам является схема с ОЭ, изображенной на рисунке 4. Основной особенностью ее является то, что входным током будет малый по величине ток базы, а выходным - ток коллектора. Следовательно, коэффициент усиления тока для схемы с ОЭ определяется следующей формулой или

. (5)

Коэффициент усиления напряжения имеет вид:

или

(6)



Рисунок 4 - Схема включения транзистора типа по схеме с ОЭ и распределение токов в цепях

На практике усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, обеспечивает коэффициент усиления тока порядка нескольких десятков и коэффициент усиления напряжения - порядка нескольких сотен .

К достоинствам схемы с ОЭ следует отнести возможность питания ее от одного источника напряжения, так как на базу и коллектор подаются потенциалы одинакового знака.

3.2 Статические характеристики транзистора

Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выхода.

Наибольшее распространение получили входные и выходные статические характеристики. Для схемы с ОЭ статической входной характеристикой является график зависимости тока базы от напряжения при постоянном значении : при . Выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы: при .

На рисунках 5 и 6 показаны семейства входных и выходных статических характеристик транзистора для схемы с ОЭ. Для объяснения характера приведенных зависимостей рассмотрим схематическое изображение биполярного транзистора типа, включенного по схеме с ОЭ (рисунок 7).

Рисунок 5 - Входные статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Рисунок 6 - Выходные статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Примечание: для обозначения напряжений на коллекторе и базе относительно эмиттера вместо и чаще используются обозначения и соответственно.



Рисунок 7 - К пояснению формы выходных характеристик транзистора для схемы с ОЭ

Если , зависимость представляет собою вольт-амперную характеристику соединенных параллельно двух -переходов (база-эмиттер и коллектор-база), включенных в прямом направлении (рисунок 5, кривая 1). К коллекторному переходу в этом случае приложено положительное напряжение (рисунок 8). Оно создает в коллекторной цепи прямой ток , который по направлению противоположен обычному току коллектора . Поэтому ток базы представляет сумму токов .

Рисунок 8 - Направление токов при

С приложением напряжения (рисунок 9), когда ток коллектора меняет свое направление и ток базы становится разностным . Таким образом, подача напряжения резко уменьшает и соответствующая характеристика (рисунок 5, кривые 2 и 3) располагаются значительно ниже нулевой.



Рисунок 9 - Направление токов при

Рассмотрим характер зависимости . Из рисунка 7 видно, что напряжение, приложенное к коллекторному переходу равно разности . Поэтому при напряжение на коллекторном переходе приложено в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна выходных характеристик на начальном участке от до велика. В тоже время на участке крутизна характеристик уменьшается: они почти параллельны оси абсцисс. Положение каждой из них зависит, главный образом, от величины .

Существенными особенностями их являются:

1) Малый наклон кривых, свидетельствующий о большой величине дифференциального сопротивления в цепи коллектора.

2) Значительная зависимость тока коллектора от тока базы. (На практике изменение тока базы на вызывает существеннее изменение тока коллектора .) Механизм усиления тока транзистора заключается в том, что коллекторный ток определяется числом инжектированных в тело базы носителей заряда, т.е. током базы.

3.3 Транзистор - активный четырехполюсник

Устройство, имеющее два входных и два выходных зажима и обладающее способностью усиливать мощность подводимых к нему электрических сигналов, называется активным четырехполюсником (рисунок 10). Для любого линейного четырехполюсника в качестве положительных принято выбирать направления, показанные на этом рисунке.

Рисунок 10 - Положительные направления токов и напряжений четырехполюсника

Если представить транзистор в виде четырехполюсника (рисунок 11), то его можно характеризовать входным напряжением и входным током , а также выходным напряжением и выходным током . При включении транзистора по схеме о ОЭ - ток базы, - ток коллектора, - напряжение между базой и эмиттером, - напряжение на коллекторе относительно эмиттера.

Рисунок 11 - Транзистор-четырехполюсник (включение по схеме с ОЭ)

Все четыре величины напряжений и и токов и на входе и выходе транзистора взаимосвязаны. Причем достаточно задать две из них, чтобы однозначно определить две другие величины. Эти две другие величины являются функциями первых двух. Если принять в качестве независимых переменный: и , а в качестве зависимых и , то можно записать:

. (7)

Дифференцируя и по и получим:

(8)

(9)

Введем обозначения:

(10)

Благодаря линейности дифференциалов токов и напряжений на малых участках, дифференциалы в уравнениях (8) и (9) можно заменить конечными приращениями. А в случае использования схемы при гармонических токах и напряжениях малых амплитуд (что на практике бывает чаще всего) вместо конечных приращений можно записать действующие значения токов и и напряжений и . Таким образом, для малых сигналов

(11)

Коэффициенты входящие в эти уравнения, называются -параметрами транзистора. Каждый из них имеет определенный физический смысл.

Параметр - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе: при .

Параметр равен отношению входного напряжения к выходному при разомкнутой входной цепи: при . При этом предполагается, что источник подключен к зажимам 2 транзистора, а напряжение измеряется на зажимах 1. Таким образом, характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи транзистора. Поэтому он называется коэффициентом внутренней обратной связи.

Параметр равен отношению выходного тока к входному при короткозамкнутом выходе: при . Этот параметр называется коэффициентом усиления по току.

Параметр представляет собой выходную проводимость транзистора при разомкнутых входных зажимах при .

Таким образом, -параметры легко определить экспериментально при короткозамкнутом выходе и холостом входе во входной цепи. Именно такой режим работы транзистора, а не наоборот, целесообразен из-за того, что входное сопротивление транзистора значительно больше выходного , что и предопределяет соответствующий выбор входных и выходных токов и напряжений (7) одних в качестве аргументов, а других в качестве функций.

3.4 Эквивалентная схема транзистора

Часто для определения некоторых характеристик транзистора удобно пользоваться его эквивалентной схемой (схемой замещения), которая должна отражать реальные свойства замещаемого транзистора. Широкое распространение получили так называемые Т-образные эквивалентные схемы.

При построении эквивалентных схем считают, что эмиттерный и коллекторный переходы, а также тонкий слой базы, обладают некоторыми сопротивлениями . Поэтому эквивалентную схему транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно представить в следующем виде (рисунок 12):

Рисунок 12 - Эквивалентная схема транзистора по схеме с ОЭ

Казалось бы, что простейшей схемой транзистора может быть цепь, состоящая только из резисторов . Однако такая схема не соответствовала бы истинному распределению токов в транзисторе: через резисторы и и протекал бы ток во много раз меньший, чем ток в цепи базы или ток в резисторе , так как величина составляет десятки Ом, - сотни, а - сотни тысяч Ом. В действительности же, как упоминалось выше, для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, коэффициент усиления тока . Поэтому для перераспределения токов в схеме параллельно подключают дополнительно генератор, вырабатывающий ток равный .

3.5 Расчет основных параметров усилителя по эквивалентной схеме

Найдем связь основных параметров усилителя с элементами схемы усилителя и -параметрами. Для этого в соответствии с уравнениями (7) - (11) эквивалентную схему усилителя с -параметрами представим в виде (рисунок 13):

Рисунок 13 - Эквивалентная схема усилителя с -параметрами

Выразим основные параметры усилителя через элементы эквивалентной схемы.

1 Коэффициент усиления тока с учетом направлений токов и равен . Согласно (11) ток . Подставляя равенство , получим или . Откуда

(12)

2 Входное сопротивление усилителя равно . Подставляя в это равенство и выражая через получим и

(13)

Из этого выражения следует, что зависит от величины сопротивления нагрузки. Однако, если находится в пределах кОм, чаще всего бывает на практике, эта зависимость слабая. И тогда

3 Коэффициент усиления напряжения равен

. (14)

4 Выходное сопротивление при . Воспользуемся выражением (11) и поделим обе его части на :

. (15)

Из левой части эквивалентной схемы (рисунок 13) видно, что при

(16)

Подставим в предыдущее выражение и получим

 (17)

Таким образом, выходное сопротивление усилителя зависит не только от -параметров, но и от сопротивления генератора.

При включении транзистора по схеме с ОЭ его входное напряжение ( - напряжение базы) слабо зависит от выходного (коллекторного) . Поэтому . Следовательно, схему замещения транзистора в соответствии с уравнениями (5), (6), (10), (11) можно представить упрощенно (рисунок 14).

Рисунок 14 - Упрощенная эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Тогда выражения основных параметров усилителя также упрощаются и принимают следующий вид:

(18)

3.7 Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером

3.7.1 Работа схемы

Простейшая схема резистивного усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером, и питанием от одного источника тока приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Схема термостабилизированного резистивного усилителя c фиксированным напряжением смещения

Входной сигнал от генератора через разделительный конденсатор поступает во входную цепь усилителя и изменяет потенциал базы относительно эмиттера. Это приводит к изменению тока базы: переменная составляющая суммируется в цепи базы с постоянной составляющей тока базы . В свою очередь изменение вызывает изменение тока коллектора: в коллекторном токе транзистора появляется переменная составляющая в несколько десятков или даже сотен раз превосходящая величину .

Ток коллектора, протекая через нагрузочное сопротивление транзистора , вызывает на нем падение напряжения (В данной схеме нагрузочным сопротивлением усилителя является резистор. Именно поэтому усилитель называется резистивным). Теперь точно также как и , состоит из постоянной и переменной составляющих: . Причем, значительно больше входного сигнала .

Чтобы выделить полезный сигнал на выходе, через разделительный конденсатор и источник питания сопротивление нагрузки усилителя подключается к параллельно по переменному току. Конденсатор не пропускает постоянную составляющую. Поэтому на выделяется только переменное напряжение. Емкость конденсатора выбирается достаточно большой, чтобы во всем рабочем диапазоне частот выполнялось условие . Внутреннее сопротивление источника тока также очень мало. Именно поэтому практически все напряжение приложено к нагрузке усилителя - резистору .

Таким образом, на выделяется переменное напряжение изменяющееся по закону входного сигнала, но значительно превышающее его по амплитуде.

3.7.2 Графическое представление процесса усиления

В общем виде описанный выше процесс усиления напряжения можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин:

(19)

А на рисунке 16 дано графическое пояснение процессов, происходящих в данном усилителе. Приведенные зависимости токов и напряжений характеризуют динамический режим работы транзистора и отличаются от статических тем, что определяются не только свойствами транзистора, но зависят и от нагрузки . Из рисунка 4 следует, что напряжение источника питания распределяется между участками: коллектор-эмиттер транзистора и нагрузочным сопротивлением . Тогда

(20)

- уравнение динамического режима для выходной цепи. Если значение и заданы, то (20) - уравнение прямой линии в координатах (рисунок 16 а). Эту линию называют нагрузочной линией. Положение нагрузочной линии на статических характеристиках однозначно определяется напряжением источника питания и сопротивление нагрузки : точке А соответствует коллекторный ток равный , а точке В - коллекторное напряжение . Р - рабочая точка, определяющая значение тока коллектора и напряжение на коллекторе , соответствующие режиму покоя . Для получения наименьших искажений сигнала рабочую точку Р выбирают в средней части нагрузочной линии, в области, где точки пересечения АВ с выходными характеристиками находятся в пределах прямолинейных участков последних.



Рисунок 16 - Графическое представление процесса усиления сигнала транзистором

Из семейства выходных характеристик по точкам пересечений их с нагрузочной линией построена динамическая характеристика в координатах , которую называют переходной характеристикой. Она отражает зависимость коллекторного тока от тока базы в схеме с заданными транзистором и нагрузкой. Выбор рабочей точки Р определяется, как видно из рисунка 16 положением точки Р', то есть током смещения в цепи базы , который, в свою очередь, зависит от потенциала базы (или напряжения смещения ) (рисунок 15) и величины сопротивления .

Таким образом, приложение на вход усилителя синусоидального сигнала амплитудой одновременно с напряжением смещения создает на базе транзистора пульсации напряжения относительно постоянной составляющей . На входной характеристике (рисунок 16 в) это соответствует периодическому смещению рабочей точки Р' на участке С'D' графика зависимости . Напряжение входного сигнала синфазно изменяет величину тока базы . Ток базы, судя по переходной характеристике, вызывает пропорциональные изменения тока коллектора. Пульсации же коллекторного тока, согласно уравнению динамического режима (20) и положению нагрузочной линии, определяют характер и амплитуду коллекторного напряжения или выходного напряжения .

3.7.3 Назначение отдельных деталей и термостабилизация

В схеме усилителя (рисунок 15) конденсатор играет роль разделительного конденсатора. Он препятствует, во-первых, протеканию постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала , а во-вторых, прохождению постоянного тока источника (в случае ее наличия у источника) через переход транзистора эмиттер-база. Емкость этого конденсатора должна быть такой, чтобы на всех частотах усиливаемых напряжений выполнялось условие .

Конденсатор предотвращает протекание переменной составляющей тока эмиттера через резистор . В точке А эмиттерной цепи ток эмиттера разветвляется: его постоянная составляющая протекает через резистор , а переменная - через конденсатор , так как выполняется условие ( выбирается емкость в несколько десятков микрофарад).

Резисторы и составляют делитель напряжения, подключенный к общему источнику тока и предназначенный для получения напряжения смещения. Падение напряжения на резисторе равно . Сопротивления резисторов и определяются по следующим формулам:

и , (21)

где и - ток делителя и постоянная составляющая тока базы. Для устойчивой работы усилителя в широком диапазоне температур на практике ток выбирается таким, чтобы .

Данная схема (рисунок 15) усилителя устойчива в работе, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величины напряжения смещения. Кроме того, с целью термостабилизации в цепи эмиттера транзистора включена цепочка .

Известно, что изменение температуры сильно влияет на электрические свойства транзисторов. Особенно существенное влияние на работу транзистора при этом оказывает изменение тока коллектора, смещающего рабочую точку Р на нагрузочной линии.

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме при наличии цепочки и обуславливающие стабилизацию режима работы при изменении температуры. Пусть температура возрастает и постоянная составляющая тока коллектора увеличивается. Так как , то увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера . На резисторе , следовательно, увеличится падение напряжения. Тогда разность потенциалов между эмиттером и базой уменьшится, так как суммарное напряжение на и равно их разности (рисунок 15). Поэтому ток базы уменьшается, а следовательно ток коллектора также уменьшается, принимая свое первоначальное значение.

4. Обратная связь

4.1 Определение и типы обратных связей

В различных радиоэлектронных устройствах широко применяется обратная связь. Обратной связью называется передача части энергии сигнала с выхода устройства на его вход.

Обратная связь называется положительной, если передаваемый на вход устройства сигнал с его выхода складывается со входным, и отрицательной, если вычитается. Положительная обратная связь, как правило, используется в автогенераторах для поддержания незатухающих колебаний. В усилителях же обычно применяется отрицательная обратная связь (ООС), так как ее введение позволяет уменьшить нелинейные искажения и нестабильность усиления, изменить в нужную сторону величины входного и выходного сопротивлений.

Рисунок 17 - Структурная схема усилителя с обратной связью

В общем виде усилитель с обратной связью можно представить в виде, показанном на рисунке 17.

Здесь элемент схемы обозначенный - усилитель с коэффициентом усиления . Буквой обозначен элемент обратной связи, посредством которого часть сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход.

По способу подключения цепи обратной связи к выходной цепи усилителя различают:

Обратную связь по току, если напряжение обратной связи снимается с резистора обратной связи , включенного последовательно с нагрузкой (рисунок 18).

Рисунок 18 - Усилитель с ОС по току

Обратную связь по напряжению, если цепь обратной связи подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке и, следовательно, напряжение обратной связи будет пропорционально величине выходного напряжения (рисунок 19).

Рисунок 19 - Усилитель с ОС по напряжению

По способу подключения цепи обратной связи к входной цепи усилителя различают:

Последовательную обратную связь, если цепь обратной связи подключается ко входу последовательно с источником входного сигнала (рисунок 20).

Рисунок 20 - Усилитель с последовательной обратной связью

Параллельную обратную связь, если цепь обратной связи подключается параллельно источнику сигнала (рисунок 21).

Рисунок 21 - Усилитель с параллельной обратной связью

4.2 Влияние обратной связи на параметры усилителя

Рассмотрим влияние обратной связи на параметры усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рисунок 22). Отношение напряжения обратной связи , поступающего на вход усилителя через цепь обратной связи, к напряжению на выходе называется коэффициентом передачи цепи обратной связи

 (22)

Рисунок 22 - Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению

По мере увеличения модуля , обратная связь становится более глубокой. Напряжение обратной связи равно

. (23)

Коэффициенты передачи усилителя без обратной связи и при наличии ее равны

и (24)

Согласно второму закону Кирхгофа:

или . (25)

Откуда

. (26)

Теперь определим коэффициент усиления при наличии обратной связи

. (27)

В окончательном виде выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью (ОС) равно

. (28)

Произведение называется фактором обратной связи или глубиной обратной связи.

Если в усилителе и в цепи ОС отсутствуют фазовые сдвиги (усиливающее устройство работает в средней области частот), то коэффициенты передачи усилителя и цепи ОС действительны, т.е.

и . (29)

Коэффициент передачи ОС принимает значения от 0 до +1 при положительной, и от 0 до -1 при отрицательной обратной связи (ООС). Тогда коэффициент усиления усилителя при положительной обратной связи (ПОС)

. (30)

Отсюда видно, что с увеличением глубин ПОС знаменатель уменьшается, а - растет.

Для усилителя, охваченного ООС, с ростом уменьшается

. (31)

Таким образом, при введении в усилитель ООС его коэффициент усиления уменьшается в раз. Однако, несмотря на уменьшение усиления, ООС широко используется в усилителях, так как улучшается ряд других его параметров. Покажем это на примерах.

Возрастает стабильность коэффициента усиления.

Доказательство: продифференцируем выражение (31) по :

. (32)

Перегруппируем в последнем выражении переменные и разделим его на выражение (31):

. (33)

где - относительное изменение коэффициента усиления усилителя без отрицательной обратной связи, - относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью.

Из формулы (33) видно что, относительное изменение коэффициента усиления усилителя уменьшается в раз при введении ООС, т.е. ООС препятствует любым изменениям величины коэффициента усиления.

При глубокой ООС

(34)

т.е. коэффициент усиления схемы охваченной глубокой ООС, практически не зависит от коэффициента усиления собственного усилителя, а определяется только коэффициентом передачи цепи ОС.

Входное сопротивление усилителя без ОС при введении ООС возрастает в раз. Действительно

(35)

Входное сопротивление усилителя без ОС . Отсюда находим

. (36)

При условии и (отсутствие фазовых сдвигов) и (наличие ООС) имеем:

(37)

Можно показать аналогично, что при введении в усилитель ООС его выходное сопротивление уменьшается в раз, что позволяет использовать такой усилитель при работе с низкоомными нагрузками

 (38)

Таким образом, введение ООС позволяет улучшить характеристики усилителя: увеличить входное и уменьшить выходное сопротивления, улучшить стабильность усилителя, расширить его полосу пропускания частот. Некоторое уменьшение коэффициента усиления можно скомпенсировать введением дополнительного усилительного каскада.

5. Описание экспериментальной установки

Схема лабораторного макета усилителя с последовательной ООС по напряжению изображена на рисунке 23. Питание схемы производится от источника постоянного напряжения . Усилитель имеет два каскада усиления, собранных на биполярных транзисторах типа и соответственно. Оба каскада собраны по схеме с общим эмиттером.

Рисунок 23 - Принципиальная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению

Резисторы образуют делитель напряжения, подключенный к источнику питания ; часть напряжения с делителя снимается и подается на базу транзистора для смещения рабочей точки на входной характеристике транзистора. Резисторы и используются для температурной стабилизации режима работы каскадов усилителя. Резисторы - для транзистора и с для транзистора являются нагрузочными сопротивлениями. С них снимается усиленный сигнал. Резистор совместно с конденсатором образуют фильтр нижних частот: переменные составляющие коллекторных токов транзисторов замыкаются через конденсатор , не попадая в источник питания.

Конденсаторы и - разделительные конденсаторы: через них подается и снимается сигнал, но они не пропускают постоянный ток. Конденсаторы и устраняют отрицательные обратные связи, возникающие за счет падения напряжения на резисторах и от переменных составляющих токов эмиттеров.

Наличие в данном усилителе отрицательной, а не положительной обратной связи (т.е., факт вычитания напряжений и , а не их сложение на входе ) можно доказать путем следующих рассуждений. Пусть в начальный момент при поступлении на вход сигнала потенциал базы возрастает, а потенциал эмиттера для простоты считаем неизменным, т.е., на базе - положительная полуволна напряжения . С нагрузки первого транзистора резистора , стоящего в коллекторной цепи - снимается и подается на второй транзистор сигнал отрицательной полярности , так как у транзистора входное и выходное напряжения находятся в противофазе. Транзистор также поворачивает фазу напряжения на 180°. Поэтому с его нагрузки снимается положительная полуволна, т.е. потенциал коллектора при подаче на вход - положительной полуволны, возрастает за счет уменьшения коллекторного тока , протекающего через делитель и .

Таким образом, наличие на базе вызывает уменьшение коллекторного тока в транзисторах и . Вследствие этого потенциал верхней (незаземленной) точки резистора становится менее отрицательным по отношению к нижней, потенциал которой постоянен и равен нулю (так как она заземлена). Через конденсатор , таким образом, положительная полуволна передается на эмиттер , что приводит к изменению входного напряжения равного

(39)

Рассмотренную выше схему усилителя можно представить в упрощенном виде (рисунок 24).

Рисунок 24 - Упрощенная схема макета усилителя с последовательной ООС по напряжению

Здесь показаны резисторы и , включенные на выходе делителя. На них выделяется усиленный сигнал . Одновременно и составляют делитель напряжения цепи обратной связи: часть выходного напряжения с резистора подается на вход усилителя. Из рисунка 24 видно, что включен последовательно с источником входного сигнала. Причем напряжения и имеют противоположные фазы. Следовательно, .

Физическая сущность повышения стабильности работы усилителя при введении ООС состоит в том, что при любом увеличении (или уменьшении) напряжения на входе усилителя напряжение обратной связи тоже увеличивается (уменьшается), а, следовательно, напряжение изменяется слабо.

Глубину обратной связи данного усилителя можно изменять путем подключения различных сопротивлений в цепь коллектора транзистора с помощью переключателя (рисунок 23). Стоящие в схеме резисторы и используются при измерениях входного и выходного сопротивлений усилителя.

С целью увеличения входного сопротивления усилителя делитель напряжения на резисторах охвачен ООС по переменной составляющей. Действительно, подача напряжения через конденсатор на резистор приводит к тому, что напряжение на уменьшается, так как и синфазны. Тогда протекающий через резистор ток существенно уменьшается, что эквивалентно увеличению величины , а следовательно, и входного сопротивления.

6. Оборудование рабочего места

При выполнении лабораторной работы используется следующее оборудование:

Лабораторная установка, которая состоит из 2 модулей, базовый модуль (рисунок 25) и лабораторный (рисунок 26).

Рисунок 25 - Базовый модуль

Рисунок 26 - Лабораторный модуль

Цифровой вольтметр типа ВК 7-38 (рисунок 27).



Рисунок 27 - Цифровой вольтметр ВК 7-38

Осциллограф типа GOS-620 (рисунок 28).

Рисунок 28 - Осциллограф GOS-620

7. Порядок выполнения работы

7.1 На лабораторном модуле собрать схему усилителя с ООС, принципиальная схема которого изображена на рисунке 23. Номиналы элементов приведены в таблице 1. Пример сборки усилителя показан на рисунке 29.

Таблица 1 - Используемые элементы

Транзистор - МП42	Набор резисторов	9 кОм	Резистор - 1 кОм
Транзистор - МП37		24 кОм	Резистор - 1,1 кОм
Конденсатор - 4,7 мкФ	Резистор - 10 кОм	Резистор - 115 кОм
Конденсатор - 10 мкФ	Резистор - 33 кОм	Резистор -4,7 МОм
Конденсатор - 22 мкФ	Резистор - 30 кОм	Набор резисторов	24 кОм
Конденсатор - 10 мкФ	Резистор - 1,1 кОм		115 кОм
Конденсатор - 4,7 мкФ	Резистор - 1 кОм		4,7 МОм
Конденсатор - 22 мкФ	Резистор - 1,2 кОм	Резистор - 330 Ом

7.2 Включите в сеть приборы лабораторной установки, осциллограф и цифровой вольтметр.

7.3 На вход усилителя напряжение подается от генератора. На базовом модуле включите генератор низкой частоты переключателем «ВКЛ».

7.4 На лабораторном модуле справой стороны включите «источник напряжения Е3». С левой стороны под надписью «генератор НЧ» можно плавно регулировать амплитуду напряжения. Напряжение на выходе усилителя не должно быть больше 3 В. При больших напряжениях усилитель работает в нелинейном режиме и форма сигнала на выходе сильно искажена. Для контроля формы сигнала необходимо использовать осциллограф, подключив его к клеммам усилителя (Вых 2) при R₁₂=0. В процессе измерений надо следить, чтобы форма гармонического колебания не была искажена. При появлении искажений - уменьшить амплитуду входного напряжения.

Рисунок 29 - Фотография усилителя с отрицательной обратной связью собранная на лабораторном модуле

7.5 Снимите и постройте частотные зависимости коэффициента усиления напряжения при различной глубине отрицательной обратной связи. Для этого:

7.5.1 С помощью двух ручек «Частота» «плавно», «грубо» и кнопочного переключателя «Диапазоны» задавайте последовательно значения частот: 31,6 Гц, 56,2 Гц, 100 Гц, 178 Гц, 316 Гц, 562 Гц, 1 кГц, 1,78 кГц 3,16 кГц, 5,62 кГц, 17,8 кГц 31,6 кГц, 56,2 кГц, 100 кГц.

7.5.2 Частотные характеристики измеряются путем изменения частоты входного сигнала и измерения входного (на клеммах Вх 2) и выходного (на клеммах Вых 1) напряжений (рисунок 29). Данные занесите в таблицу 2.

Таблица 2 - Пример таблицы зависимости

, Гц		, В	, В
31,6	1,50
56,2	1,75
100	2,00
178	2,25
316	2,50
562	2,75
……	……..

7.5.3 Постройте график зависимости . При исследовании в широком диапазоне частот, как правило, частотные характеристики строятся в логарифмическом масштабе. В данной работе необходимо построить зависимости .

7.5.4 Измените ООС и повторите измерения.

7.6 Используя графики зависимостей , определить полосы пропускания частот усилителя (рисунок 3) при различной глубине ООС.

7.7 На одной фиксированной средней частоте (1 кГц) для каждого из сопротивлений обратной связи и без ОС выполнить с помощью вольтметра измерение напряжений:

- на входе (Вх2);

- на выходе (Вых1);

- на зажимах ().

Используя полученные данные, рассчитать коэффициенты передачи цепи ОС , глубину ОС , входное напряжение усилителя , коэффициент передачи усилителя с ООС и без нее по формулам (22-30).

7.8 Измерьте входное сопротивление усилителя с различной глубиной отрицательной обратной связи. Измерения выполните на заданной частоте с помощью переменного сопротивления резистора . Резистор и входное сопротивление усилителя образуют делитель напряжения (рисунок 30).

Рисунок 30 - Схема, поясняющая методику измерения входного сопротивления усилителя

При этом зависит от состояния и . Емкость конденсатора и сопротивление генератора подобраны так, чтобы и . Можно записать

Если то , а когда то . Таким образом, для измерения необходимо:

7.8.1 Установить , подать сигнал на вход (Вх1) и зафиксировать с помощью вольтметра на выходе (Вых1) значение выходного напряжения .

7.8.2 Увеличивать сопротивление резистора до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя уменьшится вдвое - . Если не получается, замените резистор на более высокий.

7.8.3 С помощью омметра (обязательно при отключенном источнике тока) измерить величину значения сопротивления , которое и равно .

7.8.4 Экспериментально полученные результаты сравнить с теоретически рассчитанными по формуле (37) значениями входного сопротивления.

7.9 Измерить выходное сопротивление усилителя. При измерении применяется методика аналогичная рассмотренной выше для измерения . Схема замещения выходной цепи усилителя изображена на рисунке 31.

Рисунок 31 - Схема для измерения выходного сопротивления усилителя

Усилитель со стороны выходных зажимов представлен как активный двухполюсник с ЭДС и выходным сопротивлением (рисунок 31). Если считать, что , то при и при . Поэтому измерение сводится к следующим операциям:

7.9.1 Подайте на вход (Вх 2) напряжение от генератора, а на выход (Вых 1) с помощью вольтметра зафиксировать выходное напряжение ;

7.9.2 Замкнуть клеммы (Вых 2) и установить такое сопротивление при котором напряжение на выходе (Вых 1) уменьшится вдвое.

7.9.3 Измерить полученное значение , которое и равно .

7.9.4 Измерения проводить на заданной фиксированной частоте при всех положениях переключателя П. Экспериментальные результаты сопоставить с теоретически рассчитанными по формуле (38).

Литература

Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М., Радио и связь. 1985.

с. 79-130, 182-207.

Гершунский Б.С. Основы электроники. Киев., Вища школа, 1977.

с. 169-192, 209-256.

Буланов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства.

М., Высшая школа, 1980. с. 3-41.

Ципкин Г.С. Усилительные устройства. М., Связь, 1971. с. 8-121.

Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. М., Связь, 1975.

с. 8-92, 302-331.

Размещено на Allbest.ru

...