Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 2, лаборатория № 331
Цель работы:изучить принцип действия и основные характеристики двухкаскадного усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах с резистивно-емкостной связью. Изучить работу двухтактного усилителя мощности на основе 2 эмиттерных повторителейс двухполярным питанием на биполярных транзисторах.
Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.
Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий усилительный элемент (биполярный, полевой транзистор либо операционный усилитель), пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и постоянный источник питания, которые обеспечивают нужный режим работы каскада.
Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе ряд усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но исогласование с источником и потребителем сигнала.
Усилительный каскад это минимальный функциональный блок,обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят одинили несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала – транзистор или электронная лампа),цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т.д.
Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад,является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровнювходного. Различают три коэффициента усиления – коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:
Исходя из определения усилителя, любой усилительувеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности,однако при проектировании усилителей акцент ставится на усилениеодной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения,тока и мощности. Наиболее часто требуется усиление напряжения,поэтому в литературе наиболее распространён КU, и, в ряде случаев,он принимается за определение коэффициента усиления вообще.
С целью увеличения коэффициента усиления несколько каскадов объединяются в многокаскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произведению одноименных коэффициентов усиления всех каскадов устройства:
К = К1•К2•...•КN,
где N – число каскадов.
При этом выходное напряжение предыдущего каскада подается на вход последующего. Соединение каскадов производится через элементы связи (конденсаторы, резисторы либо трансформаторы), которые определяют тип усилителя.
Каскадами предварительного усиления обычно являются усилители напряжения, а оконечными каскадами – усилители мощности.
Изучаемый в работе усилитель состоит из двух каскадов: усилителя напряжения на биполярном транзисторе и бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, соединенных по схеме с резистивно-емкостной связью.
На рис. 1 изображена, принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя.
Рис.1Принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя
Рис. 2. Первый каскад
Первый каскад усилителя (рис. 2) собран на транзисторе n-p-n типаVT1, включённом по схеме с общим эмиттером(ОЭ).Делитель напряжения R3-R4 задает величину постоянного напряжения на базе транзистора (режим работы по постоянному току), резистор R5является нагрузочным резистором в цепи коллектора, обеспечивающим динамический режим работы транзистора. Элементы R6 и С2 обеспечивают температурную стабилизацию усиления. На входе и выходе каскада имеются разделительные конденсаторы С1 и Ср1(или Ср2), необходимые для обеспечения независимости режима работы каскада по постоянному току (режима покоя, характеризующегося IБ0, IK0, UБЭ0,UКБ0) от входной и выходной цепей.
Входное сопротивление каскада на транзисторе с ОЭ обычно составляет порядка несколько сотен Ом. Выходное сопротивление велико и может составлять несколько десятков кОм. Поэтому при работе усилителя на низкоомную нагрузку необходимо использовать согласующий каскад.
В современной электронике при создании усилителей на не слишком большие выходные мощности и не слишком малые сопротивления нагрузки наиболее широко применяются двухтактные устройства без использования трансформаторов. Такие усилители мощности имеют небольшие габаритные размеры и массу, а также обладают повышенной надежностью.
Рис. 3. Второй каскад
На рис. 3 показан второй (выходной) каскад усилителя, являющийсябестрансформаторным двухтактным усилителем мощности.Он собран на комплементарных транзисторах VT2 и VT3 (транзисторах разной структуры [n-p-n и p-n-p], но имеющих близкие характеристики), работающих в режимах эмиттерных повторителей напряжения (схема с общим коллектором). Режим работы по постоянному току задают делитель R8-R9 и коллекторные резисторы R10 иR11. Диоды VD1 и VD2 создают небольшое смещение напряжения для увеличения начальных токов и обеспечивают работу усилителя в режимеАВ.Начальные токи, протекающие через транзисторы VT2 и VT3,в силу разнополярности транзисторов взаимно компенсируются. Это приводит к уменьшению искажений сигнала, а также обеспечивает параметрическую температурную стабилизацию работы транзисторов. Выходное сопротивление каскада мало (порядка десятков килоом), что обеспечивает хорошее согласование с низкоомной нагрузкой.
Второй каскад является усилителем тока, а его коэффициент передачи по напряжению близок к 1 (что характерно для эмиттерного повторителя), Кр>>1.
Основными характеристиками усилителей являютсяамплитудная и амплитудо-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. Эта характеристика представлена на рис. 4. Участок «ab» кривой соответствует линейному режиму работы усилителя (т.е. Uвых пропорционально Uвх, и коэффициент усиленияК = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. При дальнейшем увеличении Uвхвыходное напряжение Uвых не меняется, усилитель работает в режиме насыщения. Рабочим участкомусилителя является линейный участок характеристики «ab».
Рис. 4. Амплитудная характеристика Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика
Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Вид этой характеристики для усилителя с RC-связью показан на рис. 5.
Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентами частотных искажений на верхних частотахМВ =и на нижних частотахМН =, гдеКВ иКН – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах, а К0 – максимальное значение коэффициента усиления. Обычно допустимое значение коэффициента частотных искажений М принимают равным . Частоты fН и fВ, соответствующие минимальным значениям коэффициента усиления, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот Δf = fН–fВполосой пропускания усилителя.
Влияние емкости связи между каскадами Ср1 (Ср2) можно проанализировать по амплитудно-частотной характеристике усилителя при различных значениях Ср1 и Ср2.
Влияние нагрузки на работу первого каскада исследуется по амплитудным характеристикам при наличии низкоомной нагрузки (резистор R7) на выходе первого каскада и в режиме холостого хода (при отключении резистора R7 переключателем 2).
2.1. Входные гнёзда усилителя (Гн1,
Т
) соединить с выходом генератора синусоидальных колебаний.
2.2. Выход первого каскада соединить со входом второго каскада через разделительную емкость Ср1=3,3 мкФ (переключатель 1 установить в верхнее положение).
2.3. Выходные гнезда усилителя (Гн3,
Т
) присоединить к осциллографу.
4.1.Установить переключатель 2 в левое положение, переключатель 3 в правое положение. Установить с помощью генератора частоту входного сигнала f = 5 кГц.
4.2. На вход усилителя подать с генератора входной сигнал Uвх = 20 мВ (регулируется с помощью потенциометра R1). Для измерения входного сигнала используется осциллограф, подключенный к Гн2,
Т
(см. Приложение, стр. 6).
4.3. Измерить с помощью осциллографа выходное напряжение усилителя (Гн3,
Т
).
Коэффициент усиления двухкаскадного усилителя по напряжению будет равен К=Uвых/Uвх.
Результаты записать в таблицу 1 бланка лабораторных работ.
Исследовать влияние согласующего каскада на коэффициент усиления двухкаскадного усилителя. Для этого:
4.4. Подключить низкоомную нагрузку (резистор R7=130 Ом) к выходу первого каскада (переключатель 2 установить вправое положение, переключатель 3 - в левое положение), при этом вход второго каскада шунтируется и соответственно снижается нагрузка первого каскада.
4.5. Измерить величину напряжения (U’вых) на выходе усилителя (Гн3,
Т
);
4.6.Подключить нагрузку (резистор R7=130 Ом) к выходу второго каскада (переключатель 3 - в правое положение)
4.7.Измерить величину напряжения (U”вых) на выходе усилителя (Гн3,
Т
).
4.8. Рассчитать коэффициент уменьшения выходного напряжения усилителя при включении несогласованной нагрузки к усилителю с ОЭ (U’вых/U”вых).100%.
Результаты записать в таблицу 1 бланка лабораторных работ.
Снять 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя при различных значениях разделительныхемкостейСр1и Ср2 в режиме холостого хода.Порядок действий:
5.1. Установить и поддерживать при измерениях входное напряжение Uвх=20 мВ.
5.2. Переключатель 2 установить в левое положение (режим х.х.).
5.3.Частоту сигнала менять в диапазоне от 1 до 1000 кГц (согласно таблице 2).
5.4.Устанавливать на каждой из выбранных частот следующие значения разделительной емкостиСр:
|
Значения разделительной ёмкости |
№ вывода |
|
Ср1 = 3,3 мкФ |
переключатель 1 в верхнем положении |
|
Ср2 = 0,033 мкФ |
переключатель 1 в нижнем положении |
5.5. Измерить значенияUвых (Гн3,
Т
) для каждой из выбранных частот.
Результаты измерений записать в таблицу 2 бланка лабораторных работ.
По данным таблицы 2 на рис. Б3 бланка построить 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя.
Снять амплитудную характеристику первого каскада усилителя напряжения в режиме холостого хода.Для этого:
6.1. Переключатель 2 установить в левое положение, переключатель 3 в левое положение.
6.2. Установить разделительную ёмкость Ср1 = 3,3 мкФ.
6.3. Установить частоту входного сигнала f = 5 кГц.
6.4. Величину входного сигнала Uвх изменять от 20 до 100 мВ с помощью потенциометраR1 (согласно таблице 3).
6.5.Измерить значения Uвых1 первого каскада (Гн3,
Т
)для каждого из выбранных значений входного напряжения.
Результаты записать в таблицу 3 бланка лабораторных работ.
Снять амплитудную характеристику первого каскада усилителя напряжения поднагрузкой.Для этого:
6.5. Подключить нагрузку (резистор R7=130 Ом) к выходу первого каскада (переключатель 2 установить в правое положение, переключатель 3 – в левое положение).
6.6. Снять амплитудную характеристику каскада следуя пунктам 6.2-6.5.
Результаты записать в таблицу 3 бланка лабораторных работ.
По данным таблицы 3 на рис. Б4 бланка построить 2 амплитудные характеристики первого каскада усилителя. Выделить на них линейный участок.
7.1. К выходным гнездам усилителя (Гн3,
Т
) подсоединить осциллограф;
7.2. Переключатель 2 установить в левое положение, переключатель 3 – в правое.
7.3.Установить величину входного сигнала UВХ=20 мВ (UВХ.ЛР), соответствующую линейному режиму работы усилителя и зарисовать на рис.Б2,а форму сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа в линейном режиме работы усилителя (при отсутствии искажения формы выходного сигнала);
7.4. Увеличивать величину входного сигнала до момента появления искажения формы выходного сигнала;
7.5. Измерить величину входного напряженияUВХ.МИН при минимальных искажениях выходного сигнала (Гн2,
Т
) и зарисовать на рис.Б2,б форму сигнала при минимальных искажениях;
7.6.Увеличивать величину входного сигнала до значения, соответствующегопереходу усилителя в режим насыщения;
7.7. Измерить величину входного напряженияUВХ.РНв режиме насыщения (Гн2,
Т
) и зарисовать на рис Б2,вформу сигналав режиме насыщения.
Приложение
Проведение измерений с помощью осциллографа.
Для измерения параметров электрических сигналов ручками смещения сигнала совместите сигнал с делениями шкалы так, чтобы было удобно проводить измерения. Выбирают положения переключателей “В/дел” такими, чтобы размер исследуемого сигнала по вертикали получался от 2 до 6 делений.
Рассмотрим определение частоты исследуемого сигнала. Пусть период исследуемого сигнала занимает два деления, а длительность развертки установлена 10 мс/дел. Тогда период исследуемого сигнала будет равен: 2 дел 10 мс/дел = 20 мс. Затем из формулы связи периода и частоты исследуемого сигнала ( f = 1/ T ) определим его частоту: f = 1/ 20 мс = 50 Гц.
Рассмотрим теперь, как определяется амплитуда напряжения исследуемого сигнала. Амплитуда синусоидального сигнала равна половине размаха изображения по вертикали. Для ее нахождения определим сначала, сколько делений занимает изображение сигнала по вертикали. Умножив число делений, соответствующее амплитуде, на коэффициент отклонения в вольтах на деление, получим амплитуду сигнала в вольтах. Например, изображение синусоидального сигнала по вертикали занимает 4 деления. Следовательно, амплитуда исследуемого сигнала на экране осциллографа будет составлять два деления. Если коэффициент отклонения равен 5 В/дел, то амплитуда сигнала будет равна 10 В.
|
|
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
____ |
Оформлено |
||||
|
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Принципиальная схема
Рис. Б1
ОПЫТ 1
Определение коэффициентов усиления
Таблица 1
|
f=5кГц |
Uвх, мВ |
Uвых, мВ |
U’вых, мВ |
U”вых, мВ |
Рассчитать |
ОПЫТ 2
Снятие амплитудо-частотной характеристики усилителя
Таблица 2
|
при = 20 мВ |
|||||||||||
|
f, кГц |
1 |
2 |
5 |
10 |
20 |
50 |
100 |
200 |
500 |
1000 |
|
|
1 |
Ср1 = 3,3 мкФ |
||||||||||
|
2 |
Ср2 = 0,033мкФ |
ОПЫТ 3
Снятие амплитудной характеристики усилителя
Таблица 3
|
f=5кГц |
Uвх, мВ |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
80 |
100 |
|
Uвых1, В (х.х.) |
||||||||
|
Uвых1, В (Rн) |
ОПЫТ 4
Исследовать форму выходного сигнала усилителя в зависимости от величины входного сигнала
Осциллограммы
UВХ.ЛР=UВХ.МИН= UВХ.РН=
Рис. Б2
Амплитудно-частотная характеристика (по данным таблицы 2)
Рис. Б3
Амплитудная характеристика (по данным таблицы 3)
Рис. Б4
|
Выводы по работе: |
|