Для оценки работоспособности УННЧ обычно используют следующие основные показатели: коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности; диапазон усиливаемых частот или полосу пропускания; искажения, вносимые усилителем, или коэффициенты линейных и нелинейных искажений; входное и выходное сопротивления.

УННЧ можно представить в виде четырехполюсника, т. е. устройства, у которого есть две входные и две выходные клеммы (рис. 7.1). На входные клеммы поступает сигнал, подлежащий усилению U₁ (входной сигнал), а с выходных клемм снимается усиленный сигнал U₂ (выходной).

Рассмотрим более подробно работу усилителя, в котором в качестве усилительного элемента использован биполярный транзистор. С учетом входной и выходной цепей усилитель можно представить так, как показано на рис. 7.2. Здесь источником входного сигнала служит генератор напряжения, имеющий ЭДС Е_с и внутреннее сопротивление R_c. Усиленный сигнал на выходе усилителя выделяется на сопротивлении R_н, которое является нагрузкой усилителя. Роль входного сигнала сводится к управлению энергией, поступающей от источника питания к нагрузке R_н.

Важным параметром любого усилителя является его комплексное входное сопротивление . При анализе УННЧ входное сопротивление полагают чисто активным (диапазон малых сигналов) и обозначают его R_вх. Сопротивление R_вх усилителя определяет ту часть напряжения источника сигнала, которая выделяется непосредственно на входе усилителя. На рис. 7.3 представлена эквивалентная схема входа усилителя, на основании которой можно записать соотношение

Это соотношение показывает, что только при R_вх R_с напряжение на входе усилителя U₁ практически равно ЭДС источника сигнала.

Как отмечалось выше, одним из основных параметров, характеризующих работу УННЧ, является коэффициент усиления по напряжению K. В общем случае K – комплексная величина, и поэтому можно записать . Для случая гармонических сигналов

Тогда Зависимость модуля K() от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а arctg отношения мнимой части к его действительной части – фазо-частотной характеристикой (ФЧХ). АЧХ усилителей принято строить в полулогарифмическом масштабе: по оси ординат откладывается отношение K/K_ср в линейном масштабе, а по оси абсцисс – значение частот по логарифмической шкале. За величину K_ср принимают значение коэффициента K на частоте, равной 1000 Гц.

По АЧХ можно определить полосу усиливаемых частот. Полосу усиливаемых частот принято считать ограниченной частотами, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз от своего максимального значения. Тогда K/K_ср=1/, а нижнюю f_н и верхнюю f_в частоты можно определить, как это показано на рис. 7.4. Область частот, заключенная между нижней и верхней граничными частотами усилителя, называется полосой пропускания УННЧ.

Рис. 7.3 Рис. 7.4

В реальных усилителях возникают линейные и нелинейные искажения. К линейным искажениям относятся частотные (зависимость модуля коэффициента усиления от частоты K()) и фазовые (зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналами ()). Частотные и фазовые искажения обусловлены наличием в схеме усилителя реактивных элементов: емкостей и индуктивностей. Кроме того, эти искажения определяются частотными характеристиками и самого усилительного элемента, в частности, транзистора.

Нелинейные искажения проявляются тогда, когда при усилении входного сигнала, например гармонического, выходной сигнал будет иметь более широкий спектральный состав. В этом случае в выходном сигнале, помимо основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляется ряд высших гармоник. Такого рода искажения возникают вследствие наличия в усилителе элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками.

Качественная оценка величины нелинейных искажений при заданном входном напряжении может быть получена с помощью амплитудной характеристики усилителя, которая представляет собой зависимость амплитуды напряжения первой гармоники выходного сигнала от амплитуды входного сигнала (рис. 7.5). Амплитудная характеристика в целом нелинейна, но на ней можно выделить прямолинейный участок, работа в пределах которого обеспечивает минимальные нелинейные искажения. Как видно из рис. 7.5, протяженность линейного участка приближенно равна отрезку аb. Этот участок называется динамическим диапазоном усиления усилителя. При входных сигналах, амплитуда которых превышает значение U_вх b, возникают значительные нелинейные искажения. При входных сигналах с амплитудой, меньшей величины U_вх а, полезный сигнал маскируется собственными шумами (помехами) усилителя.

Рассмотрим более подробно работу резистивного УННЧ, выполненного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 7.6). Данная схема получила наибольшее распространение, так как она позволяет получить усиление как по напряжению, так и по току. Как видно из схемы, на коллектор транзистора от источника питания Е_п подано напряжение через резистор R_к, который является нагрузкой транзистора. В этом случае говорят, что транзистор работает в динамическом режиме.

При прохождении постоянной составляющей коллекторного тока I_к по сопротивлению R_к на последнем возникает падение напряжения. Поэтому величина напряжения на коллекторе транзистора U_кэ относительно эмиттера равна разности напряжений источника питания и падения напряжения на резисторе R_к, т. е. U_кэ=E_п–I_кR_к. Эта формула показывает, что максимальному значению тока коллектора будет соответствовать минимальное напряжение на коллекторе и наоборот. Рабочая точка, или точка покоя транзистора, задается пересечением выходной динамической характеристики по постоянному току (или другими словами, нагрузочной прямой по постоянному току) с одной из статических коллекторных (выходных) характеристик транзистора. На рис. 7.7, а эта точка обозначена буквой П. Наклон выходной динамической характеристики по постоянному току, которая, как следует из рисунка, пересекает оси I_к и U_кэ в точках Е_п/R_к и Е_п соответственно, зависит от величины коллекторного сопротивления: чем больше R_к, тем меньше угол . Для определения нужной кривой семейства статических характеристик необходимо знать ток базы в рабочей точке I_бп. Порядок нахождения тока I_бп будет описан ниже.

Если на входе каскада действует переменный сигнал достаточно низкой частоты, то точки пересечения максимального и минимального значений тока базы I_б макс и I_б мин с нагрузочной прямой определяют значения напряжения на выходе транзистора. При этом максимальному току базы I_б макс соответствует максимальное значение тока в цепи коллектора и минимальное напряжение между коллектором и эмиттером. При минимальном значении тока базы I_б мин ток коллектора будет также минимальным, а напряжение между коллектором и эмиттером – максимальным. Из сказанного выше следует, что схема с ОЭ инвертирует усиливаемый сигнал.

С целью более точного определения величины выходного напряжения каскада при наличии сигнала на его входе необходимо учитывать, что по переменному току резисторы R_к и R_н включены параллельно. В этом случае следует пользоваться нагрузочной прямой по переменному току, однозначно связывающей мгновенные значения тока и напряжения на выходе каскада. Данная прямая проходит через ту же точку покоя П, что и прямая по постоянному току, но под большим углом ₁ к оси U_кэ (на рис. 7.7, а ₁>).

Существенное значение при исследовании работы УННЧ имеет выбор схемы термостабилизации. Необходимость стабилизации работы усилительного элемента связана с изменением обратного тока коллектора , который, например, для германиевых транзисторов примерно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 С. При этом начальная рабочая точка транзистора смещается, что может привести к возникновению нелинейных искажений. Изменение положения рабочей точки также ведет к изменению входного и выходного сопротивления усилителя и его амплитудной характеристики. Поэтому необходимо стабилизировать начальную рабочую точку усилительного элемента.

Наиболее распространенной является схема эмиттерной термостабилизации, представленная на рис. 7.8. Здесь для стабилизации рабочей точки введена отрицательная обратная связь по току, для чего в цепь эмиттера введено сопротивление R_э. Резистивный делитель, состоящий из R₁ и R₂, предназначен для поддержания неизменным потенциала на базе транзистора, причем номиналы данных резисторов выбираются так, чтобы ток, протекающий через делитель, был в несколько раз больше тока базы. Допустим, что ток I_к увеличился из-за увеличения температуры. Вместе с ним увеличивается и ток эмиттера I_э, т. к. эти токи связаны между собой равенством I_э=I_к+I_б. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении R_э. При неизменном потенциале базы это ведет к уменьшению разности потенциалов на переходе база–эмиттер. Для иллюстрации вышесказанного на рис. 7.9 стрелками показаны величины напряжений на электродах транзистора при нормальной температуре (рис. 7.9, а) и при увеличении температуры (рис. 7.9, б).

Уменьшение напряжения на переходе база–эмиттер приводит к уменьшению тока базы и далее к уменьшению тока коллектора. В итоге происходит компенсация начального увеличения тока I_к. Однако введение сопротивления R_э ведет не только к стабилизации положения рабочей точки, но и к уменьшению коэффициента усиления K из-за влияния отрицательной

обратной связи по переменной составляющей коллекторного тока. Чтобы избежать этого, сопротивление R_э блокируется по переменной составляющей конденсатором большой емкости С_э, который шунтирует R_э по переменному току (см. рис. 7.8). Приближенно величина конденсатора может быть выбрана из условия , где _н – наименьшая частота в спектре усиливаемого сигнала.

1. Выбираем тип транзистора таким образом, чтобы допустимое напряжение между коллектором и эмиттером было больше напряжения источника питания.

2. Определяем значение постоянной составляющей тока коллектора в точке покоя

,

(7.4)

Если амплитуда тока в нагрузке незначительна, то величину тока покоя коллектора следует брать близкой к рекомендуемой в паспорте выбранного транзистора.

3. Задаемся минимальным напряжением между коллектором и эмиттером

.

(7.5)

.

(7.6)

5. По выходным характеристикам транзистора находим ток базы I_бп (рис. 7.10). При отсутствии статических характеристик ток базы можно рассчитать по формуле

,

(7.7)

6. Задаемся падением напряжения на сопротивлении R_э

(0,15÷0,25) .

(7.8)

.

(7.9)

.

(7.10)

(7.11)

.

(7.12)

11. Рассчитываем сопротивление R₁ цепи стабилизации

(7.13)

(7.14)

а б

13. Определяем коэффициенты усиления каскада по току и по напряжению

	,	(7.15)
	,	(7.16)

14. Рассчитываем входное и выходное сопротивления каскада

	,	(7.17)
	.	(7.18)

	,	(7.19)
	,	(7.20)
	.	(7.21)

2. Собрать измерительную схему. Для чего вход усилителя подключить к выходу ГНЧ, а выход усилителя – к осциллографу. Проверить работоспособность схемы УННЧ и при необходимости произвести его настройку.

3. Рассчитать напряжения U_кэп и U_бэп при отсутствии сигнала на входе усилителя. Для этого следует: а) измерить напряжения на коллекторе U_к, базе U_б и эмиттере U_э транзистора относительно общего провода (земля); б) используя формулы U_кэп=U_к–U_э и U_бэп=U_б–U_э, по выполненным измерениям вычислить величины напряжений U_кэп и U_бэп,

Пользуясь выражениями I_кп=(E_к–U_кэп–U_Rэ)/R_к или I_кп≈U_э/R_э определить величину тока покоя коллектора I_кп. По данным измерений и расчета указать положение точки покоя транзистора на входных и выходных статических характеристиках.

4. Снять и построить графически амплитудную характеристику усилительного каскада U_вых=f(U_вх) при частоте входного сигнала 1000 Гц. Напряжение U_вх изменять до появления заметных нелинейных искажений в выходном сигнале, который наблюдается на экране осциллографа. По амплитудной характеристике определить линейный участок усиления.

5. Изменяя частоту входного сигнала от 20 Гц до 20 кГц снять и построить графически АЧХ усилительного каскада K=(f). Определить полосу пропускания УННЧ и сравнить с заданной. АЧХ снимается при U_вх, соответствующем середине линейного участка амплитудной характеристики.

6. Входное сопротивление усилительного каскада R_вх экспериментально можно определить, если при каком-то небольшом сопротивлении R_г (см. рис. 7.11) на вход усилителя подается сигнал от звукового генератора. При этом I_вх=U_г/(R_вх+R_г). Затем при новом значении R_г1 > R_Г напряжение генератора увеличивается до такой величины, чтобы выходное напряжение стало равным напряжению при первом измерении, что соответствует прежнему входному току. Тогда , откуда

Сравнить экспериментально определенное значение R_вх с рассчитанным.

7. Выходное сопротивление усилительного каскада R_вых экспериментально можно определить, если измерить выходное напряжение, соответствующее двум значениям сопротивления нагрузки. Напряжения на этих сопротивлениях и Решая эту систему относительно сопротивления R_вых, получим:

Сравнить экспериментально определенное значение R_вых с рассчитанным.

8. По данным измерений п. 4, 6, 7 определить коэффициенты усиления УННЧ по напряжению K, току K_i, мощности K_P и сравнить с рассчитанными.

9. Исследовать влияние отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току на основные показатели УННЧ. Для этого необходимо отпаять емкость С_э. Выполнить исследования УННЧ с введенной ООС в объеме п.48 настоящего задания.

10. Используя программу Electronics Workbench, собрать схему, представленную на рис. 7.12.

11. Используя программу Electronics Workbench, повторить измерения в соответствии с п. 27 настоящего задания, выбрав транзистор, параметры которого близки с параметрами транзистора МП42Б.

1. 
   Что такое точка покоя транзистора и как она выбирается?
   
2. 
   Перечислите основные показатели усилителя.
   
3. 
   Как расширить или сузить полосу пропускания усилителя?
   
4. 
   Что такое коэффициент линейных искажений усилителя?
   
5. 
   Дайте сравнительную характеристику схем включения транзисторов с ОЭ, ОК и ОБ.
   
6. 
   Каково влияние обратной связи на параметры усилителя?
   

Обратная связь в усилителях

Р
Рис. 6.14

.

(8.1)

Если , то усилитель охвачен отрицательной обратной связью (ООС), и тогда . В этом случае напряжение обратной связи противоположно по фазе входному напряжению и коэффициент усиления усилителя уменьшается. Таким образом, ОС позволяет управлять величиной коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Принципиальная схема усилителя напряжения, в котором параллельная ООС по напряжению вводится с помощью резистора R_ос, включенного между коллектором и базой биполярного транзистора, приведена на рис. 8.2. Каскад с ОЭ инвертирует фазу входного сигнала, поэтому напряжение, подаваемое на базу транзистора через резистор R_ос, будет находиться в противофазе с входным напряжением. Величина сигнала ОС прямо пропорциональна выходному напряжению и зависит от величины сопротивления резистора обратной связи R_ос. Включив дополнительно в цепь ОС параллельно R_ос (или последовательно с ним) реактивный элемент, можно получить параллельную частотно-зависимую ООС по напряжению. Такая обратная связь позволяет изменять АЧХ усилительного каскада в необходимом диапазоне частот.

Введение ОС с помощью резистора R_ос улучшает термостабильность усилительного каскада, называемого в этом случае каскадом с коллектор­ной термостабилизацией. Для пояснения работы данной схемы положим, что в некоторый момент времени произошло увеличение температуры уси­лительного элемента и, следовательно, возрастание тока покоя коллектора I_кп. Возрастание тока I_кп приведет к увеличению падения напряжения на ре­зисторе R_к, поскольку оно равно U_RкR_кI_кп, а поэтому к уменьшению по­тенциала U_к на коллекторе транзистора относительно земли. Это уменьше­ние напряжения через резистор R_ос передается на базу транзистора. В то же время напряжение между базой и эмиттером в режиме покоя можно выра­зить следующим образом: U_бэп=U_б–U_э=U_б–(I_кп+I_бп)R_э. Согласно по­следнему выражению, рост тока I_кп с одновременным уменьшением потен­циала базы U_б приводит к уменьшению напряжения U_бэп. В свою очередь, уменьшение напряжения U_бэп вызовет уменьшение тока I_бп и, следова­тельно, уменьшение тока I_кп.

Падение напряжения на резисторе R_ос для рассматриваемой схемы может быть представлено в следующем виде:

Расчет УННЧ с параллельной ООС по напряжению

Расчет каскада проводим в следующем порядке:

1. Определяем постоянную составляющую коллекторного тока I_кп

2. Определяем напряжение U_кэп

3. Рассчитываем величину тока I_бп

.

(8.8)

.

(8.9)

7. 
   Рассчитываем величину резистора в цепи эмиттера R_э
   

   .

   (8.10)

8. 
   Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки коллекторной цепи переменному току
   

   .

   (8.11)

9. 
   Находим величины входного и выходного сопротивлений:
   

   	,	(8.12)
   	.	(8.13)

10. 
    Рассчитываем коэффициенты усиления по напряжению и току
    

	,	(8.14)
	.	(8.15)

11. 
    Находим величину блокировочной емкости С_э и разделительных емкостей С_р1и С_р2 по формулам (7.19), (7.20) и (7.21), приведенным в лабораторной работе № 7.
    

Расчетное задание

Рассчитать по формулам (8.2)–(8.15), а также (7.19), (7.20) и (7.21) УННЧ с параллельной ООС по напряжению на биполярном транзисторе согласно варианту, заданному в табл. 8.1. Величину R_с принять равной 510 Ом.

Лабораторное задание и методические указания

1. Собрать на лабораторном стенде схему, изображенную на рис. 8.3, согласно выполненному расчету и в случае необходимости настроить ее. При монтаже схемы учесть, что в нее будут дополнительно включены резисторы для определения входного и выходного сопротивлений каскада. Номинальные значения необходимых резисторов приведены в табл. 8.2. В этой таблице также даны номинальные значения конденсаторов, которые используются для введения в каскаде частотно-зависимой ООС.

3. Снять и построить графически АЧХ усилительного каскада. Определить полосу пропускания УННЧ и значения граничных частот f_н и f_в. Изменение частоты производить в диапазоне от 20 Гц до частоты, на которой коэффициент усиления по напряжению уменьшается до величины 0,7K_макс, где K_макс – его максимальное значение.

4. Определить входное сопротивление УННЧ, используя выражение Методика определения R_вх изложена в лабораторной работе № 7.

5. Определить выходное сопротивление усилительного каскада по формуле Методика определения R_вых изложена в лабораторной работе № 7.

6. По данным п. 2, 4 и 5 определить коэффициенты усиления по напряжению K, току K_і и мощности K_р.

7. Для создания частотно-зависимой ООС, подключить параллельно резистору R_ос емкость С. Номинальные значения емкостей приведены в табл. 8.2.

8. Для каждой отдельно взятой емкости: а) снять АЧХ усилительного каскада; б) определить R_вх и R_вых на частотах 500 Гц и 15 кГц; в) найти коэффициент усиления K на частотах 500 Гц и 15 кГц.

По полученным данным построить графически зависимости: R_вх=f₁(С), R_вых=f₂(С) и K=f₃(С) на частотах 500 Гц и 15 кГц.

9. В выводе по работе провести анализ влияния ООС на параметры усилителя.

10. Используя программу Electronics Workbench, собрать схему, представленную на рис. 8.4.

12. Снять АЧХ исследуемой схемы при различных номинальных значениях емкости С и зарисовать их.

13. По полученным АЧХ рассчитать площадь усиления УННЧ с ООС по напряжению для каждого случая.

2. Для чего применяются ООС и ПОС?

3. Как можно изменить полосу пропускания УННЧ?

4. Как ООС влияет на параметры усилителя?