Лабораторные работы по электронике

Режим работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки на переходной характеристике транзисторов, являющихся управляемым элементом усилительного каскада, существует три режима работы каскада: А, В и С.

Переходной характеристикой транзистора является функция IK=f (Iб)- зависимость тока коллектора от тока базы, рис. 3. Линейный участок на этой характеристике (участок ab) характеризуется минимальными искажениями усиливаемого сигнала. При выборе рабочей точки n в начале линейного участка (точка b) усиливается только положительная составляющая усиливаемого сигнала.

Рис.3 Переходная характеристика транзистора

Точка n на этой характеристике определяет величину тока коллектора

IК и тока базы Iб в отсутствие входного сигнала (состояние покоя).

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают на линейном участке переходной характеристики транзистора, обычно посередине (как на рис.3). При этом значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически полностью повторять форму входного.

 К.п.д. усилителя η определяется отношением выходной мощности Рвых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Рвх:

η = Рвых/Рвх .

В режиме А к.п.д. самый низкий (меньше 0,5) и редко превышает 0,35. Это объясняется большим током покоя в отсутствие входного сигнала (постоянная составляющая потерь). Это основной недостаток режима А. Достоинство же – отсутствие искажений усиливаемого сигнала.

 Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики – точка b на рис.3. Эта точка называется точкой отсечки.

  В режиме В усиливается только та часть сигнала, которая способствует отпиранию транзистора и появлению коллекторного тока. Другая часть сигнала, условно назовем ее отрицательной, способствует еще большему запиранию транзистора, т.е. коллекторный ток будет близок к нулю. В случае синусоидального сигнала усиленный сигнал будет иметь форму полусинусоиды, что характеризует очень большое искажение усиливаемого сигнала. Достоинством этого режима является высокий к.п.д., достигающий в некоторых случаях 80%. Этот режим используется, как правило, в двухтактных усилителях мощности.

  Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки, при этом время отпирания транзистора меньше величины полупериода.

 Этот режим характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала, зато к.п.д. усилительного каскада приближается к 100%. Режим С используется в автогенераторах и избирательных усилителях.

 Для оценки диапазона входных напряжений, в котором усиливаемые сигналы усиливаются пропорционально, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного напряжения Uвх (рис.4). Линейный участок этой характеристики, характеризуется постоянным коэффициентом усиления  по напряжению Кn = Uвых/Uвх

Как правило, этот участок характеризуется наименьшим уровнем нелинейных искажений.

Рис.4 Амплитудная характеристика усилительного каскада

При очень больших амплитудных значениях усиливаемого сигнала Uвх рост выходного напряжения замедляется, и коэффициент усиления падает, что сопровождается ростом нелинейных искажений. Соответственно различают зоны: нечувствительности, линейности и насыщения. В зоне нечувствительности, при малых входных сигналах коэффициент усиления мал и неустойчив.

 Другой важной характеристикой является амплитудно-частотная. Это зависимость коэффициента усиления К от частоты ω. Зависимость КU=f(ω) представленная на рис.5, характеризует области нижней ωн.гр и верхней ωв.гр граничных частот, а также область с относительно устойчивым коэффициентом усиления КU. Снижение коэффициента усиления КU в области верхней ωв.гр и нижней ωн.гр граничных частот называют частотными искажениями.

 


Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада

Это название обусловлено тем, что при усилении переменного сигнала отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерности частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиленного сигнала искажается.

Диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя достаточно равномерна и коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.

Полоса пропускания усилителя – это область между нижней и верхней граничными частотами ωн.гр.- ωв.гр.

Из практических соображений допустимое значение частотных искажений принимают равным 1/ КU (~0,7 КU), в связи с этим ωн.гр. и ωв.гр. сдвинуты за пределы линейного участка амплитудно - частотной характеристики.

План работы:

1. Ознакомиться со схемой полупроводникового двухкаскадного усилителя.

2. Определить вход усилителя и выходы с первого и второго каскадов.

3. Ознакомиться с устройством генератора синусоидальных сигналов.

Нажатие соответствующих кнопок генератора означает частоты:

100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц (Полностью отжатые кнопки соответствуют частоте 15000 Гц).

4. Снять амплитудную характеристику усилителя:

– установить частоту генератора 1000 Гц;

– включить стенд (тумблером Сеть);

– подать напряжение от генератора на вход усилителя равное, 0,05 В;

– переключить вольтметр на выход и записать в таблицу выходное (усиленное) напряжение;

– последовательно увеличивая величину входного напряжения Uвх через 0,05В до 0,4 В измерять напряжение Uвых на выходе 1-го каскада при каждом опыте;

– одновременно при помощи осциллографа, подключенного к выходу первого каскада, проследить форму усиленных сигналов, отметив при каком входном напряжении начинает искажаться форма выходного сигнала.

Данные измерений занести в таблицу 1. 

Таблица 1.

Uвх, B

0,05

0,1

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Uвых, B

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при входном напряжении Uвх = 0,2 В (при таком сигнале линейные искажения еще не заметны):

– изменяя частоту генератора, замерить выходное напряжение на всех частотах генератора при неизменном входном напряжении;

– при помощи осциллографа проследить форму выходных сигналов, отметив область частот, где наблюдаются искажения формы синусоидальных сигналов.

Данные свести в таблицу 2.

В эту же таблицу записать значения коэффициента усиления КU на разных частотах, вычислив их по формуле К = Uвых/Uвх:

Таблица 2.

f, Гц

100

500

1000

5000

15000

Uвх, B

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

Uвых, B

 

 

 

 

 

  KU

 

 

 

 

 

4. На основании данных табл. 1 и 2 построить амплитудную и амплитудно- частотную характеристики.

Контрольные вопросы:

1. Определение и классификация усилителей?

2. Начертить и объяснить блок-схему усилительного каскада?

3. Режимы А, В, и С, их достоинства и недостатки. В каких случаях они применяются?

4. Что такое коэффициент усиления, как определить коэффициент усиления многокаскадного усилителя? Что такое многокаскадные усилители?

5. Объяснить схему и работу двухкаскадного усилителя.

5. Что такое нелинейные искажения?

6. Начертить и объяснить амплитудную характеристику.

7. Начертить и объяснить амплитудно-частотную характеристику.


На главную