ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОКАСКАДНОГО ПІДСИЛЮВАЧА ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ з спільним емітером

Підсилювачі низької частоти призначені для підсилення електричних сигналів (напруги, струму, потужності) низької частоти (до 100 кГц) .

Підсилювач - це чотириполюсник (рисунок 5.1), який характеризується:

- коефіцієнтом підсилення за напругою в режимі холостого ходу

K_{U xx} =U_{вих. хх} / U_вх; (5.1)

- вихідним динамічним опором

R_вих = U_{вих. хх} / I_{вих. кз}; (5.2)

- вхідним динамічним опором

R_вх = U_вх / I_вх, (5.3)

де U_вх,І_вх,U_вих,І_вих –діючізначення напруги та струму відповідно вхідного та вихідного сигналів; U_{вих. хх} , І_{вих. кз} – діючі значення вихідних напруги в режимі холостого ходу ( R_н = ∞ ) і струму в режимі короткого замикання ( R_н = 0 ).

Рисунок 5.1 – Схема підсилювача у вигляді чотириполюсника

Коефіцієнти підсилення каскаду за напругою, струмом і потужністю при певному R_н визначають за формулами:

; (5.4)

; (5.5)

. (5.6)

де P_вих , P_вх – значення потужності вихідного та вхідного сигналів. Коефіцієнти підсилення виражають у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ):

; (5.7)

; (5.8)

. (5.9)

Найчастіше використовують однокаскадний підсилювач з СЕ ( рисунок 5.2). Основним елементом каскаду є біполярний транзистор VT n-p-n типу. При використанні транзистора p-n-p типу необхідно змінити полярність напруги живлення ( Е_К ). З резистора R_К в колі колектора знімається вихідний сигнал. Опір резистора R_К визначає підсилення каскаду і знаходиться в межах від 100 Ом до 5 кОм. Резистори R_Б1 і R_Б2 утворюють подільник напруги і призначені для встановлення необхідної напруги зміщення між базою і емітером U_БЕ . Резистор R_Е служить для забезпечення температурної стабільності каскаду. Температурна стабільність досягається за рахунок від’ємного зворотного зв’язку на постійному струмі (частина вихідної напруги подається у вхідне коло). Конденсатор С_Е виключає від’ємний зворотний на змінному струмі, завдяки чому досягаються значно більші значення коефіцієнтів підсилення каскаду. З цією метою ємність С_Евибирають виходячи з умови:

1 / (ωС_Е ) < R_Е. (5.10)

Конденсатори С₁ та С₂призначені для забезпечення зв’язку каскаду на змінному струмі.

При відсутності вхідного сигналу транзистор знаходиться в активному режимі, який характеризується струмами і напругами спокою І_КР , І_БР ,U_КEР ,U_БЕР.Зв’язок між вихідним струмом І_Кта напругою U_КЕвизначається рівнянням вихідної характеристики:

U_КE = E_К - ( R_К + R_E ) І _К.(5.11)

Рисунок 5.2 – Принципова схема підсилювача з СЕ

Цьому рівнянню відповідає лінія статичного навантаження (ЛСН), яку наносять на графіки вихідних статичних характеристик транзистора (рисунок 5.3, б). ЛСН проходить через точки Е_Кна осі абсцис і Е_К / ( R_К + R_E )на осі ординат.

Струми спокою І_КРтаІ_БРвизначаються напругою зміщення U_БЕР, яка, в свою чергу, задається подільником напруги R_Б1, R_Б2. Для визначення необхідного значення U_БЕР будують прохідну (рисунок 5.3, а) та вхідну (рисунок 5.3, в) статичні характеристики підсилювача. Для побудови прохідної характеристики підсилювача використовують точки перетину ЛСН з вихідними характеристиками транзистора. В якості вхідної статичної характеристики підсилювача може бути використана вхідна характеристика транзистора, знята при U_КE≈U_БЕР . Значення І_БРта U_БЕР

Рисунок 5.3 – Вихідна (б), прохідна (а) та вхідна (в) статичні характеристики підсилювача

визначають відповідно за прохідною та вхідною статичними характеристиками підсилювача.

При подачі вхідної напруги u_вх струми бази, колектора та емітера являють собою суму часткових струмів – струму спокою і струму, зумовленого дією вхідної напруги.

Змінні складові струмів та напруг можуть бути визначені графічно шляхом побудови динамічних характеристик підсилювача або аналітично з використанням динамічних параметрів транзистора, враховуючи що

i_К = h_{21 Е} i_Б ; i_Б = u_вх / h_11Е ; i _Е = i _Б + i _К , (5.12)

де h_{21 Е} – динамічний коефіцієнт передачі струму бази транзистора з спільним емітером; h_{11 Е} – динамічний вхідний опір транзистора.

Для визначення основних параметрів підсилювального каскаду використовують схему заміщення (рисунок 5.4), яка справедлива для малого вхідного сигналу u_вх. Резистивний елемент R_Б відображає паралельне з’єднання резисторів R₁ і R₂(відносно вхідного сигналу). В першому наближенні ємності конденсаторів можуть бути не враховані, що значно спрощує аналіз роботи підсилювача.

Рисунок 5.4 – Схема заміщення підсилювача з СЕ

Значення коефіцієнта підсилення за напругою в режимі холостого ходу

( R_н= ∞ ):

;(5.13)

– вихідного динамічного опору підсилювача:

;(5.14)

– вхідного динамічного опору підсилювача:

. (5.15)

Основною характеристикою каскадів попереднього підсилення електричних сигналівє їх амплітудно - частотна характеристика ( АЧХ ): K_U ( ω ); K_І ( ω) ; K_Р ( ω ). Типова АЧХ K_U ( ω ) зображена на рисунку 5.5.

Залежність коефіцієнтів підсилення від частоти зумовлена наявністю реактивних елементів С₁, С₂.

Внаслідок нерівномірності АЧХ підсилювача сигнали низьких і високих частот підсилюються слабше і спектр вихідного сигналу відрізняється від спектру вхідного сигналу. Виникають частотні (лінійні) спотворення .

Для їх оцінки використовується коефіцієнт частотних спотворень:

М = К_{U 0} / К_U , (5.16)

Рисунок 5.5 – Типова АЧХ підсилювачів

де К_{U 0}, К_U – значення коефіцієнта підсилення відповідно на середніх частотах і даній частоті.

Частоти, на яких коефіцієнт підсилення К_U (або К_І ) зменшується до значення К_{U 0} / називають нижньою ω_н і верхньою ω_в частотами зрізу, а різницю частот ∆ω = ω_в – ω_н – смугою пропускання підсилювача.

Рисунок 5.6 – Типова амплітудна характеристика підсилювача

ідеального (1) і реального (2)

Важливою характеристикою підсилювача є його амплітудна характеристика. За її допомогою можна оцінити нелінійні спотворення підсилених сигналів та їх динамічний діапазон при певному рівні спотворень. Амплітудна характеристика ідеального підсилювача (рисунок 5.6) являє собою пряму 1, що проходить через початок координат. В такому підсилювачі нелінійні спотворення відсутні. Амплітудна характеристика 2 реального підсилювача лінійна на обмеженій ділянці аb. При знаходженні робочої точки поблизу області відсічки або насичення, а також при великих вхідних сигналах внаслідок обмежень в області відсічки і насичення вихідна напруга перестає зростати. Внаслідок цього виникають нелінійні спотворення, які оцінюються коефіцієнтом гармонік

, (5.17)

де U_вих , U_{вих. n}–діючі значення першої ( основної ) і n-ої ( n = 2, 3,…) гармонік вихідної напруги. Підсилення сигналів з діючими значеннями U _вх менше від U _{вх мін} практично неможливе, оскільки підсилений сигнал важко виділити з шумів підсилювача. Відношення

D = U_{вх. макс} / U _{вх. мін} (5.18)

називається динамічним діапазоном підсилювача.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Схема підсилювача зображена на рисунку 5.7.

Рисунок 5.7 – Принципова схема підсилювача НЧ

1. Зняти АЧХ каскаду з СЕ в режимі холостого ходу (С_Е = 10 мкФ ).

Для цього вхідний сигнал (від генератора ГЗ-118) подати на вхід XS1, перемикачі встановити в такі положення: SA1 – в “4”, SA2 – в “1”. Результати записати в таблицю 5.1. Вимірювання вхідної та вихідної напруг здійснюється цифровими вольтметрами (осцилограф, який під’єднується до виходу підсилювача, призначений для контролю відсутності спотворень вихідного сигналу).

Таблиця 5.1

2. Зняти амплітудну характеристику каскаду з СЕ. Результати записати в таблицю 5.2.

f=_____кГц, R_н = _____ кОм, С_Е = 10 мкФ

Таблиця 5.2

3. Дослідити вплив опору навантаження на параметри підсилювача. Результати записати в таблицю 5.3.

f =_____кГц, С_Е = 10 мкФ

Таблиця 5.3

4. Дослідити вплив ємності СЕ на параметри підсилювального каскаду. Результати записати в таблицю 5.4.

f = _____кГц, R_н= _____ кОм,

Таблиця 5.4

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Побудувати АЧХ каскаду з СЕ. Визначити смугу пропускання підсилювача.

2. Побудувати амплітудну характеристику каскаду з СЕ. Визначити динамічний діапазон підсилювального каскаду.

3. Побудувати графіки залежностей К_U (R_н) каскаду. Визначити вихідний динамічний опір підсилювача.

4. Побудувати графіки залежностей К_U (С_Е) каскаду. Пояснити вплив ємності С_Ена коефіцієнт підсилення.

Зробити висновки про виконану роботу.

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ

НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ

Підсилювачі - це електронні пристрої для підсилення слабких електричних сигналів (струмів, напруг, потужностей). Операційні підсилювачі (ОП), які використовують при розробці електронних пристроїв виготовляють за інтегральною технологією. Це підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення за напругою (10⁶ ÷ 10⁷). ОП мають також великий вхідний і малий вихідний опори, нульові потенціали на вхідних і вихідних клемах при відсутності вхідних сигналів. Смуга пропускання ОП поширюється від постійного струму до десятків - сотень мегагерц. На їх основі, охопивши відповідними зворотними зв’язками, можна створювати пристрої, які виконують різні операції над вхідними сигналами (підсилення, додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.), а також підсилювачі різного призначення, генератори електричних коливань, детектори. Наявність глибокого від’ємного зворотного зв’язку в пристроях з ОП забезпечує високу стабільність їх характеристик.

Зображення ОП на принципових схемах приведені на рисунку 6.1. ОП має два входи і один спільний вихід. Один із входів (В_Х1) називається інвертуючим і позначається знаком ” мінус ” ( рисунок 6.1, а ), або колом ( рисунок 6.1, б ). Другий вхід (В_Х2) називається неінвертуючим. Він позначається знаком ”плюс” (рисунок 6.1, а), або спеціально не позначається (рисунок 6.1, б).

а) б)

Рисунок 6.1 – Зображення ОП на принципових схемах

Для забезпечення роботи ОП потрібно два джерела живлення Е_Ж1 і Е_Ж2 різної полярності, які ввімкнені симетрично відносно спільного проводу (_┴). При подачі на інвертуючий вхід сигналу, наприклад, додатнього імпульсу, на виході отримують від’ємний імпульс. Сигнал, який поступає на неінвертуючий вхід, на виході буде без зміни полярності.

Розглянемо деякі схеми електронних пристроїв, робота яких базується на використанні ОП.

Масштабний підсилювач використовується для підсилення в задану кількість разів як змінних, так і постійних електричних сигналів. Схема інвертуючого масштабного підсилювача зображена на рисунку 6.2. В цій схемі неінвертуючий вхід заземлений, підсилювальний сигнал U_вх подається на інвертуючий вхід через резистор R₁. Через резистор R₂ реалізується паралельний відיємний зворотний звיязок за напругою з виходу ОП на його інвертуючий вхід.

Рисунок 6.2 – Схема інвертуючого масштабного підсилювача

Неінвертуючий масштабний підсилювач ( рисунок 6.3.) виконує такі ж самі функції, як і інвертуючий, але фази вхідного та вихідного сигналів співпадають. В цьому підсилювачі використовується послідовний відיємий зворотний зв’язок за напругою. Частина вихідної напруги ( напруга зворотнього звיязку U_зз ), яка знімається з резистора R₂, подається на інвертуючий вхід ОП. Вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід відносно спільного проводу.

Рисунок 6.3 – Схема неінвертуючого масштабного підсилювача

Коефіцієнт підсилення К масштабного інвертуючого операційного підсилювача

. (6.1)

Знак “ мінус ” вказує на те, що вихідний сигнал інвертований до вхідного.

Для неінвертуючого підсилювача коефіцієнт підсилення

. (6.2)

Якщо R₂ = 0, тоді К = 1. в цьому випадку отримаємо так званий повторювач напруги.

При використанні у схемах, приведених на рисунках 6.2 і 6.3, замість резистора R₂ паралельного коливного контуру отримаємо вибірний підсилювач. В ньому відбувається підсилення електричних сигналів тільки в області частот близьких до резонансної частоти ω₀ коливного контуру (рисунок 6.4, а). Це пов’язане з тим, що на резонансній частоті опір паралельного коливного контуру, що замінює у виразах (6.1), (6.2) опір резистора R₂, максимальний, а отже, коефіцієнт підсилення підсилювача також буде мати максимальне значення. При відхиленні частоти підсилювального сигналу від резонансної опір коливного контуру, а отже, коефіцієнт підсилення підсилювача зменшується. Залежність коефіцієнта підсилення вибірного підсилювача від частоти (амплітудно - частотна характеристика) зображена на рисунку 6.4, б.

а) б)

Рисунок 6.4 – Схема вибірного підсилювача (а)

та його амплітудно - частотна характеристика (б)

Якщо ОП охопити частотно - залежним додатним зворотним зв’язком, тоді отримують генератор синусоїдних коливань. В схемі, що приведена на рисунку 6.5, коло додатного зворотного зв’язку включає резистор R₃ і паралельний коливний контур. На резонансній частоті ω₀ = 1 / опір коливного контуру максимальний і має суто активний характер. Тому на частоті ω₀ виникнуть коливання і коефіцієнт зворотного зв’язку буде максимальним. Для стабілізації режиму роботи генератора вводять додаткове коло від’ємного зворотного зв’язку (резистори R₁і R₂), наявність якого дозволяє отримати близьку до синусоїди форму вихідної напруги.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Дослідити неінвертуючий масштабний підсилювач.

Зібрати схему підсилювача згідно з рисунком 6.6. До входу підיєднати звуковий генератор (ЗГ), а до виходу – електронний осцилограф (ЕО). Вхідну

Рисунок 6.5 – Схема генератора синусоїдних коливань

напругу встановити 30 мВ з частотою сигналу 1000 Гц. Коефіцієнт підсилення К визначити як відношення амплітуд вихідної та вхідної напруг, які вимірюються з допомогою осцилографа та електронного вольтметра. Дослідження провести при різних значеннях опору R₂ на виході ОП.

Рисунок 6.6 – Схема масштабного підсилювача

Отримані результати записати в таблицю 6.1 і порівняти з теоретичними значеннями коефіцієнта підсилення К_Т, які вираховуються за формулою (6.2).

Таблиця 6.1

f _вх = 1000 Гц U_вх = 30 мВ

2. Дослідити вибірний підсилювач.

Зібрати схему вибірного підсилювача згідно з рисунком 6.7. В коло зворотного зв’язку ввімкнути паралельний LC – контур. До входу схеми підיєднати звуковий генератор (ЗГ) і подати напругу 30 мВ, а до виходу підיєднати осцилограф (ЕО). Плавно збільшуючи частоту генератора від 1кГц, отримати максимальну величину вихідного сигналу, що буде відповідати налаштуванню підсилювача на резонансну частоту f_0.

Визначити коефіцієнт підсилення підсилювача на резонансній частоті. Далі, змінюючи плавно частоту генератора вище і нижче від резонансної частоти, визначити граничні частоти смуги пропускання підсилювача f₁ і f₂ (рисунок 6.4, б), на яких амплітуда вихідного сигналу складає 1/ ≈ 0,707 від амплітуди при резонансній частоті f₀.

Рисунок 6.7 – Схема вибірного підсилювача

Визначити добротність підсилювача ( коливного контуру):

Q = = . (6.3)

Результати дослідів і розрахунків записати в таблицю 6.2

Таблиця 6.2

f, кГц	Uвих, мВ	Q
f0
f1
f2

3. Дослідити LC – генератор.

Зібрати схему для дослідження LC – генератора (рисунок 6.8).

В схемі є два види зворотних зв’язків – додатний (з резистора R₂ і коливного контуру на неінвертуючий вхід) і від’ємний (з резистора R₃ на інвертуючий вхід). Після підיєднання схеми до джерела живлення в ній встановляться коливання, які можна спостерігати на екрані осцилографа.

Використовуючи калібровку розгортки осцилографа за тривалістю, визначити період і частоту коливань генератора.

Спостерігати зміни форми генерованих коливань при вимиканні кола від’ємного зворотного зв’язку. Зобразити осцилограми генерованих коливань.

Рисунок 6.8 – Схема дослідження LC – генератора

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Для неінвертуючого масштабного підсилювача при частоті 1000 Гц вирахувати значення його коефіцієнта підсилення при різних значеннях опору резистора R₂ і порівняти отримані результати з теоретичними.

2. Для вибірного підсилювача за отриманими даними вирахувати смугу пропускання, резонансу частоту і добротність коливного контуру.

3. Для генератора синусоїдних коливань визначити частоту генерації. привести форму вихідної напруги при ввімкненому та вимкненому колі зворотного зв’язку.