УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И
ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра Устройства и системы
радиосвязи
С Б О Р Н И К
ОПИСАНИЙ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ
УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
(часть
II)
Ташкент
2008
О Г Л А В Л Е Н И Е
|
Введение …………………………………………………………………….. Лабораторная работа №6. Исследование транзисторного
усилителя мощности ЗЧ с бестрансформаторным двухтактным выходом ……….. Лабораторная работа
№7. Исследование усилителя мощности с обратной связью
………………………………………………………………
Литература
………………………………………………………………….
|
3 14 18 46 |
В В Е Д Е Н И Е
В данном сборнике, представляющем II часть лабораторного практикума по курсу «Усилительные
устройства», представлены описания двух двухчасовых лабораторных работ по
разделу «Оконечные каскады и усилители с обратной связью»:
Лабораторная
работа №6. Исследование транзисторного усилителя мощности ЗЧ с
бестрансформаторным двухтактным выходом.
Лабораторная работа №7. Исследование усилителя мощности с
обратной связью.
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ДВУХТАКТНЫМ ВЫХОДОМ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
В результате выполнения лабораторной работы студент
должен:
- знать схему
транзисторного усилителя мощности ЗЧ с бестрансформаторным двухтактным выходом
и особенности ее работы;
- уметь
проводить экспериментальные исследования зависимости основных энергетических
параметров (выходной, потребляемой и рассеиваемой на коллекторе мощностей, кпд)
усилителя с бестрасформаторным выходным каскадом на составных
квазикомплементарных транзисторах, работающих в режиме АВ,
от напряжения сигнала и сопротивления нагрузки RH.
2.
ЗАДАНИЕ
2.1. Подготовиться к работе.
2.1.1. Изучить [1], с. 104 – 107, с. 113 – 114, с. 197
– 199, с. 209 – 210; [2], с. 177 – 182, с. 203 – 210; [3], с. 231 – 240,
обращая внимание на:
- особенности работы усилительного элемента
(УЭ) в режиме «В»;
- особенности построения 2-х тактной
бестрансформаторной схемы выходного каскада на транзисторах разной проводимости
и на составных квазикомплементарных транзисторах;
- особенности температурной стабилизации
режима работы УЭ в каскадах, работающих в режиме «В».
2.1.2. Ознакомиться с описанием исследуемого усилителя
и методикой экспериментального исследования.
2.1.3. Подготовить бланк отчета.
2.2. Провести эксперимент.
2.2.1. Измерить
зависимости: выходной PH,
потребляемой POK и рассеиваемой на
двух коллекторах 2PK мощностей и кпд
η выходных транзисторов от уровня входного сигнала U1 при RH=3 Ом.
2.2.2. Измерить
зависимости: выходной PH,
потребляемой POK и рассеиваемой на
двух коллекторах 2PK мощностей и кпд
η от изменения сопротивления нагрузки RH.
2.2.3.
Определить оптимальное сопротивление нагрузки PH ОПТ, при
котором выходная мощность максимальна.
2.2.4. Снять
осциллограммы выходного напряжения для двух различных значений напряжения
смещения транзисторов выходного каскада.
2.2.5. Оформить
отчет о проделанной работе.
3. ОСНОВНЫЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную
цепь УЭ позволяет значительно уменьшить габаритные размеры, вес и стоимость
усилителя, повысить его надежность и избавиться от частотных и нелинейных
искажений, вносимых трансформатором. Отсутствие трансформаторов существенно
повышает широкополосность мощных усилителей, которая в этом случае будет
определяться, в основном, частотными свойствами УЭ. Однако в однотактном
усилителе через нагрузку в этом случае будет протекать постоянная составляющая
выходного тока, что приведет к значительному снижению кпд каскада (20…25%), а в
некоторых случаях наличие постоянной составляющей в нагрузке недопустимо.
Прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку
исключается в бестрансформаторных двухтактных каскадах с несимметричным выходом
при использовании одного источника питания, подключением нагрузки через
разделительный конденсатор (рис.1). В этом случае усилительные элементы по
постоянному току включены последовательно и через них протекает общий средний
ток IКср.
Любая двухтактная схема требует на своем входе
разнополярные сигналы одинаковой амплитуды. В нашем случае каскад работает в
режиме «В» для сохранения высоких энергетических показателей, присущих режиму
«В». Уменьшение нелинейных искажений, которые велики в режиме «В», в
двухтактных схемах происходит за счет компенсации четных гармоник в нагрузке.
Разнополярные сигналы одинаковой амплитуды создаются фазоинверсными каскадами
(ФИК), которые включаются на входе двухтактных схем. В бестрансформаторных
каскадах можно использовать комплементарные транзисторы (с одинаковыми
параметрами и разной проводимости транзисторы), которые сами будут выполнять роль фазоинвертора. При этом входные цепи плеч
подключаются параллельно к общему источнику напряжения возбуждения
т.е. каскад имеет несимметричные и вход и выход (рис.2).
Вследствие различной проводимости VT1 и VT2 при их
синфазном возбуждении переменные составляющие выходных токов I~1 и I~2 имеют разные
знаки и складываются в нагрузке. Если напряжение возбуждения приложено к точкам
«а-б» схемы (база-эмиттер), то, поскольку нагрузка включена в цепи
эмиттер-коллектор, оба транзистора оказываются включенными по схеме с общим
эмиттером (ОЭ). Если же напряжение возбуждения подавать в точки «а-в»
(база-коллектор), то VT1 и VT2 включены по схеме с общим коллектором (ОК). по такой схеме в настоящей работе
включены транзисторы выходного каскада VT14 и VT15 (рис.3).
Усилители типа (рис.2) называются двухтактными
каскадами с дополнительной симметрией и используются в более сложных усилителях
в качестве элемента составных высокочастотных транзисторов большой мощности,
ввиду трудности подбора пары мощных ВЧ транзисторов с идентичными свойствами и
разным типом проводимости. Примером такой схемы служит исследуемый выходной
каскад, образованный из пары составных комплементарных транзисторов VT8…VT14 и VT9…VT15 (рис.3).
Рис.1. Двухтактный бестрансформаторный каскад с
транзисторами одинаковой проводимости Рис.2. Двухтактный бестрансформаторный каскад на
транзисторах разного типа проводимости.
4.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Исследуемый усилитель (рис.3) состоит из пяти каскадов
(некоторые вспомогательные цепи на схеме не показаны).
Входной каскад выполнен по схеме с общим эмиттером
(ОЭ) на транзисторе VT4. Переменное напряжение на вход
каскада подается через разделительный конденсатор С2.
постоянное напряжение смещения на базу транзистора
VT4 подается с помощью
делителя напряжения,
резисторами
R7 и R8. Резистор R10 является элементом местной и общей обратной связи
(ОС), а также эмиттерной стабилизации тока покоя транзистора VT4. Резистор R9 –
основной элемент связи со следующим вторым каскадом. С резистора R9 через разделительный конденсатор С4
напряжение сигнала подается на вход второго каскада.
Второй каскад выполнен по схеме с общим коллектором
(ОК) на транзисторе VT5. Резисторы R12 и R13, как и у
первого каскада, образуют делитель напряжения смещения на базу транзистора VT5. Резистор R14
является элементом эмиттерной стабилизации тока покоя транзистора VT5, а также основным элементом нагрузки второго каскада
по переменному току. С R14 напряжение
сигнала через разделительный конденсатор С10 подается на вход третьего каскада.
В цепи питания первых двух каскадов находится ток
называемый «развязывающий» фильтр, образованный из резистора R11 и конденсатора С3, предназначенный для сглаживания
пульсаций напряжения, получаемого от выпрямителя, и для устранения
возникновения напряжения обратной связи на внутреннем сопротивлении источника
питания.
Третий каскад, который является однотактным
предвыходным на транзисторе VT7, включенном
по схеме с ОЭ и работающем в режиме «А», предназначен для возбуждения
транзисторов выходной группы, образованной из пары составных
квазикомплементарных транзисторов VT8, VT14 и VT9, VT15. Верхнее плечо этой группы представляет собой
составной p-n-p транзистор по
схеме ОК-ОК с дополнительными резисторами связи R21 и местной ОС, создаваемой на R31. К нижнему плечу относятся транзисторы VT9 и VT15, включенные
по схеме ОЭ-ОК со 100%-ной последовательной ОС по напряжению, придающей ему
свойства сдвоенного эмиттерного повторителя, близкого по параметрам к
составному транзистору VT8 и VT14, но структуры n-p-n. Поскольку VT14 и VT15 являются транзисторами одной и той же структуры,
для их возбуждения требуется напряжения, сдвинутые по фазе на 180°, которые
здесь создаются фазоинверсным каскадом на транзисторах VT8 и VT9. VT8 включен по схеме с ОК и не инвертирует сигнал, а VT9 включен по схеме с ОЭ и изменяет полярность
выходного напряжения.
Транзисторы VT8, VT9, VT14 и VT15 работают в режиме «АВ» при сравнительно небольшом напряжении
смещения, возникающем на диоде VD6 за счет
прохождения через него постоянного коллекторного тока транзистора VT7, работающего в режиме «А». Как в обычном резисторном
каскаде, цепь подачи смещения на базу транзистора VT7 образована из делителя напряжения R16 и R17 и элемента
эмиттерной стабилизации тока покоя R20,
шунтированного для устранения местной ОС блокировочным конденсатором С12.
Коэффициент усиления напряжения выходной группы на
квазикомплементарных транзисторах VT8, VT14 и VT9, VT15, включенных по схеме с ОК, меньше единицы, поэтому
напряжение, снимаемое с коллектора транзистора VT7, превышает выходное напряжение усилителя.
Практически работу выходных транзисторов при полном их использовании по
напряжению, когда коэффициент использования коллекторного напряжения ξ = UКЭm/UКЭ0 близок
к 0,9…0,95 и кпд η ≈ πξ/4, получается порядка 0,7…0,74,
что удается получить, если свести к минимуму потребление нагрузочным резистором
R19 переменного тока (частоты сигнала). Для этого
верхний вывод от R19 по переменному току с помощью
конденсатора С11 присоединяется не к коллектору составного транзистора VT8 и VT14, а к его
эмиттеру (через весьма малое сопротивление резистора R31). Иначе говоря, нагрузочный (для транзистора VT7) резистор R19 при
замкнутом переключателе S1 по
переменному току, т.е. по сигналу, оказывается присоединенным к переходу
база-эмиттер, на котором амплитуда напряжения сигнала, равная Uэm во много раз меньше амплитуды напряжения на переходе
коллектор-база, т.е. Uкбm = Uбэm + UКЭm. Резистор R18
устраняет шунтирование выходной цепи усилителя (через источник питания и
конденсатор С15 >> С11) конденсатором С11, которое может привести к
уменьшению усиления на верхних частотах или неустойчивости.
Для поддержания требуемого режима работы транзисторов
выходной группы по постоянному току, используются две системы стабилизации.
Первая из них, обеспечивающая постоянство тока покоя при колебании температуры
(термостабилизацию), осуществляется с помощью диода VD6. Вторая система стабилизации, необходимая вследствие
последовательного питания по постоянному току транзисторов, соответственно VT8, VT14 и VT9, VT15,
поддерживает постоянство коллекторных напряжений, каждое из которых должно
составлять половину напряжения источника питания, т.е. UКЭ ≈
Е0 / 2. Постоянство UКЭ ≈
Е0 / 2 достигается с помощью
гальванической (т.е. по постоянному току) ОС, параллельной по напряжению, к
элементам которой относятся резисторы R16 и R17.
Кроме ОС через R16 и R17,
охватывающей последние три каскада, в исследуемом усилителе предусмотрена общая
ОС, последовательная по напряжению, охватывающая все каскады, включаемая с
помощью переключателя S4. к элементам
цепи этой ОС относятся R38 (или R39, или R40) и R10.
5.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Экспериментальное исследование основных энергетических
параметров бестрансформаторного усилителя проводится на средней частоте ƒ0,
которая для усилителей звуковой частоты равна 1 кГц.
5.1. Подключить измерительные приборы к макету
исследуемого бестрансформаторного усилителя в соответствии со схемой (рис.4).
Для снятия зависимостей используется генератор U1, два
вольтметра PV1 и PV2, осциллограф P1, имеющиеся на каждом месте, и миллиамперметр PА1, встроенный в лабораторную стойку.
Перед включением питания макета переключатели S1…S4 необходимо
установить в положения, определяемые выполняемым пунктом задания лабораторной
работы. После включения питания макета и приборов следует
установить (ручкой «Рег. Е0»)
заданное напряжение питания Е0 = 15 В.
Рис. 4. Структурная схема установки для измерения
энергетических параметров бестрансформаторного усилителя.
5.2. Измерить зависимость мощностей РН, РОК,
2РК и кпд от уровня входного напряжения U1 при RН = 3 Ом (S1 в положении «Вкл.», S2 в положении «Выкл.», S3 в положении 3, S4 в положении 1). Измерения UН, ІКСР
следует проводить при 8…10 различных значениях входного напряжения U1,
устанавливаемых с помощью регулировки выходного напряжения генератора U1.
Вначале следует установить максимальное значение U1МАХ. Для
этого, плавно увеличивая (от нулевого значения) напряжение на входе макета
(измеряемое PV1), наблюдают за формой
выходного сигнала на экране осциллографа Р1.
При появлении сколько-нибудь заметных искажений
синусоидального сигнала (притупление-ограничение вершины) зафиксировать полученные
предельные значения UН МАХ, ІК СР МАХ, U1МАХ и
записать в таблицу. Для установки других требуемых значений U1
последовательно уменьшать входное напряжение примерно на 10% от U1МАХ до 0 и, измеряя в каждом случае значения UН и ІК
СР, занести результаты измерений в таблицу.
5.3. При выполнении экспериментальной части
лабораторной работы непосредственно измерять все мощности переменного и
постоянного тока довольно сложно, поэтому в работе используют косвенный метод,
при котором измеряются только три величины: входное напряжение U1,
выходное напряжение (на нагрузке) UН и
значение постоянной составляющей коллекторных токов обоих транзисторов
выходного каскада (при последовательном питании). По измеренным для
установленного напряжения U1 значениям напряжения UН и тока ІКСР
значения требуемых мощностей и кпд могут быть вычислены по формулам:
- мощность в
нагрузке
;
- потребляемая
коллекторной цепью обоих транзисторов мощность РОК = Е0 · ІКСР;
- мощность,
рассеиваемая на коллекторе одного транзистора РК =(РОК - РН)/2;
- кпд
коллекторной цепи транзисторов выходного каскада η=РН/РОК.
Для расчета мощностей и кпд должны быть известны
величины сопротивлений нагрузки RН и напряжения источника питания Е0
= 15 В.
5.4. Измерить зависимость мощностей РН, РОК,
2РК и кпд η от измерения сопротивления нагрузки (S1 в положении «Вкл.», S2 в положении «Выкл.», S4 в положении 1, положения переключателя S3 изменять от 1 до 5). При выполнении этого пункта
вначале установить RН определить U1МАХ (по методике,
изложенной в п. 5.2.), а также UНМАХ и ІКСР, которые заносятся в
соответствующую строку таблицы. В дальнейшем, при изменении величины
сопротивления нагрузки (переключателем S3) поддерживать U1 неизменным
(равным U1МАХ).
5.5. По результатам обработки экспериментальных данных
(расчета мощностей РН, РОК, РК и кпд для
каждого значения RН и заполнения таблицы)
должны быть построены графики зависимостей РН=ƒ1(RН), РОК=ƒ2(RН), РК=f3(RН), которые представляют из себя, как правило, кривые
линии сложной формы. Однако, кривая, относящаяся к полезной мощности РН,
имеет характерный максимум при оптимальном сопротивлении нагрузки RН.ОПТ. Поэтому следует определить значение RН.ОПТ и соответствующее ему значение PН.МАКС, а
затем записать их в отчет о работе.
5.6. Зарисовать в отчет осциллограммы выходного
напряжения для двух различных значений напряжения смещения транзисторов
выходного каскада (при разомкнутом и замкнутом переключателе S2).
При выполнении этого пункта установить RН=3 Ом (S3 в положении 3), U1=U1МАХ (определенное в п. 5.2.) и срисовать сначала с экрана осциллографа форму выходного напряжения при
разомкнутом переключателе S2 (т.е. при
напряжении смещения на транзисторах VT8, VT9 UСМ≠0). Затем замкнуть S2 (перевести в верхнее положение), устанавливая
таким образом UСМ = 0, и сравнить вторую осциллограмму выходного
напряжения. Сравнивая обе осциллограммы, сделать письменный вывод о том, в
каком случае искажения форм выходного напряжения больше.
6.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать следующее:
1. Принципиальную схему макета лабораторной установки.
2. Результаты измерения в виде таблицы и графиков и
зависимости мощностей РН, РОК, 2РК и кпд от
уровня входного сигнала U1 при RН = 3 Ом.
3. Результаты измерения в виде таблицы и графиков и
зависимости мощностей РН, РОК, 2РК и кпд от
изменения сопротивления RН.
4. Определение оптимального сопротивления RН ОПТ и
максимального значения мощности PН. МАКС
(по графику зависимости РН =ƒ1(RН)).
5. Осциллограммы выходного напряжения для двух различных
значений напряжения смещения транзисторов выходного каскада.
6. Основные выводы по степени совпадения результатов
измерений с теоретическими зависимостями.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Объяснить назначение элементов принципиальной схемы
исследуемого бестрансформаторного усилителя.
2. Перечислить основные свойства двухтактного
усилительного каскада (трансформаторного и бестрансформаторного).
3. Объяснить, в чем заключается сущность работы
усилительного элемента в режимах «A», «AB», «B» и «C». Начертить диаграммы работы транзистора в режимах «A» и «B» на основе
сквозной динамической характеристики.
4. Изобразить и объяснить зависимости мощностей РН,
РОК, РК и кпд от напряжения входного сигнала U1 для
режимов работы «A», «B», «AB».
5. Показать цепь температурной стабилизации каждого
каскада (по схеме исследуемого усилителя) и пояснить принцип их работы.
6. Изобразить временные диаграммы работы двухтактного
бестрансформаторного транзисторного каскада для режимов «A», «B».
7. Начертить и
объяснить зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки RН при
постоянной величине входного напряжения и работе в режиме «B».
ПРИЛОЖЕНИЕ
ОТЧЕТ
1. Измерить зависимость мощностей РН, РОК,
РК и кпд η от уровня входного напряжения U1 при RН = 3 Ом,
ƒ0 = 1 кГц.
Таблица 1.
|
U1, мВ |
UН, В |
I К СР, А |
PН, Вт |
PОК, Вт |
PК, Вт |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
Графики зависимости мощностей от U1.
U1,мВ
U1, мВ
2. Измерить зависимость мощностей РН, РОК,
РК и кпд η от величины сопротивления нагрузки RН, ƒ0
= 1 кГц, U1 = … мВ.
Таблица 2
|
RН, Ом |
UН, В |
I К СР, А |
PН, Вт |
PК, Вт |
PОК, Вт |
η |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1,6 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
6,8 |
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
Графики зависимости мощностей от RН.
RН,
Ом
3. Оптимальное сопротивление RН ОПТ = …
Ом (см. графики п. 2 отчета), при этом значении сопротивления мощности в
нагрузке максимальна и равна PН МАКС = …
Вт.
4. Осциллограммы выходного напряжения.
5 Выводы
(объяснения полученных результатов). Отметить по каждому пункту работы: все ли
полученные экспериментальные результаты соответствуют теории, если нет, почему.
6
Принципиальная
схема исследуемого лабораторного макета.
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ
УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное исследование влияния обратной связи
(ОС) на качественные показатели.
2.
ЗАДАНИЕ
2.1. Подготовиться к работе.
2.1.1. Изучить [1], с. 41 – 47, с. 51 – 57; [2], с. 2
– 22, обращая внимание на:
- виды ОС, их особенности;
- влияние ОС на входное и
выходное сопротивления;
- влияние ОС на АЧХ, АХ усилителя;
- влияние ОС на коэффициент усиления.
2.2. Ознакомиться с описанием схемы усилителя.
2.3. Провести эксперимент.
2.3.1. Измерить
глубину ОС (F) для трех значений сопротивлений
в цепи общей ОСС.
2.3.2.
Исследовать АХ при отключенной и включенной ОС.
2.3.3.
Исследовать АЧХ при отключенной и включенной ОС.
2.3.4.
Исследовать зависимость выходного напряжения от величины напряжения источника
питания при отключенной и включенной ОС.
2.3.5. Измерить
выходное сопротивление RВЫХ при
разных значениях сопротивлений в цепи общей ООС.
3. ОСНОВНЫЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
3.1.
Определение
Во всех усилительных устройствах существует цепь, по
которой часть энергии усиленных колебаний попадает из выходной цепи
усилительного устройства в его входную цепь. Иными словами, в каждом
усилительном устройстве существует обратная связь между его выходом и входом через
цепь обратной связи.
Цепи обратной связи в усилительном устройстве могут
специально создаваться конструктором для улучшения качественных показателей
усилителя. Но в каждом усилительном устройстве существуют и паразитные обратные
связи. Они могут изменять свойства усилителя в нежелательном направлении,
поэтому такие связи нужно ослаблять.
Свойства усилителя с обратной связью очень сильно
зависят от разности фаз φ колебания, попавшего на вход усилителя от
источника сигналов, и колебания, попавшего на вход усилителя через цепь
обратной связи. Если 0º ≤ φ < 90º, то обратная связь
называется положительной (ПОС). Если 90º
< φ ≤ 180º, то
обратная связь называется отрицательной (ООС). Поскольку коэффициент передачи
обратной связи может зависеть от частоты, то и знак обратной связи может
меняться в пределах рабочего диапазона частот. Принято определять знак обратной
связи на средних частотах диапазона.
Коэффициент передачи β цепи обратной связи может
быть действительной величиной и зависеть от частоты. В этом случае обратная
связь называется частотно-независимой. Если же коэффициент передачи β зависит
от частоты, то обратная связь называется частотно-зависимой.
3.2.
Структурные схемы усилителей с обратной связью
Любую схему усилителя с обратной связью (ОС) можно
привести к эквивалентной структурной схеме, показанной на рис.1. Здесь в виде
четырехполюсника с коэффициентом передачи 
изображен идеализированный усилительный элемент без ОС. Цепь
ОС изображена в виде четырехполюсника с коэффициентом передачи 
. Соединение этих четырехполюсников друг с другом может быть
различным. На рис.1 их соединение показано условно Ø. На рис. 2 и 3
показаны возможные частные способы соединения этих четырехполюсников.
По способу соединения выходных зажимов 2-
Из рис. 2а видно, что в случае
ОС по напряжению зажимы 2-
Из рис. 2б видно, что в случае
ОС по току зажимы 2-
По способу соединения входных зажимов 1-
Из рис. 3а видно, что в случае последовательной
ОС зажимы 1-
с внутренним сопротивлением ZС)
соединены последовательно. При этом напряжение на входе усилительного элемента U’ВХ равно:
U’ВХ = UВХ – UОС
(При положительной ОС U’ВХ = UВХ + UОС).
Из рис. 3б видно, что в случае параллельной
ОС зажимы 1-
I’ВХ = IВХ – I ОС.
Рис.1. Структурная схема
усилителя с обратной связью.
Рис.2. Способы снятия
обратной связи:
а) обратная связь по
напряжению; б) обратная связь по току..
а)
б)
Рис.3. Способы подачи обратной связи:
а) последовательная обратная связь;
б) параллельная обратная связь.
3.3.
Изменение основных свойств усилителей при введении
отрицательной обратной связи
3.3.1. Изменение коэффициента усиления по
напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению идеализированного
усилителя без обратной связи (см. рис. 1):
КН = UВЫХ / U’ВХ.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя с
обратной связью:
КН = UВЫХ / UВХ.
В случае последовательной ОС UВХ ≠
U’ВХ, следует, что для получения на выходе
усилителя с ОС такого же напряжения, что и на выходе усилителя без ОС,
необходимо увеличить напряжение UВХ до величины UВХ = U’ВХ
+ UОС.
Следовательно, последовательная ОС уменьшает
коэффициент усиления по напряжению.
В случае параллельной ОС UВХ = U’ВХ. Следовательно, параллельная
ОС не изменяет коэффициент усиления по напряжению.
3.3.2. Изменение коэффициента усиления по
току.
Коэффициент усиления по току идеализированного
усилителя без обратной связи:
КI = IВЫХ / I’ВХ.
Коэффициент усиления по току усилителя с обратной
связью:
КI = IВЫХ / IВХ.
В случае последовательной ОС IВЫХ = I’ВХ. Следовательно, последовательная
ОС не изменяет коэффициент усиления по току.
В случае параллельной ОС IВЫХ
≠ I’ВХ, следует, что для получения на выходе
усилителя с ОС такого же тока, что и на выходе усилителя без ОС, необходимо
увеличить то IВХ до величины IВХ = I’ВХ
+ IОС. Следовательно, параллельная
ОС уменьшает коэффициент усиления по току.
3.3.3. Изменение входного сопротивления.
При последовательной ООС входное
сопротивление усилительного элемента Z’ВХ
и сопротивление цепи ОС включены последовательно. Следовательно, входное сопротивление усилителя с ОС
увеличивается.
При параллельной ООС входное
сопротивление усилительного элемента Z’ВХ
и сопротивление цепи ОС включены параллельно. Следовательно, входное сопротивление усилителя с ОС
уменьшается.
3.3.4. Изменение выходного сопротивления.
При ООС по напряжению выходное сопротивление
усилительного элемента Z’ВЫХ
и сопротивление цепи ОС включены параллельно. Следовательно, выходное
сопротивление усилителя с ОС уменьшается.
При ООС по току выходное сопротивление усилительного
элемента Z’ВЫХ и сопротивление
цепи ОС включены последовательно. Следовательно, выходное сопротивление
усилителя с ОС увеличивается.
3.3.5.
Стабилизация коэффициента усиления.
Как известно, изменение температуры или напряжения
источника питания приводит к изменениям параметров усилительного элемента. А
это, в свою очередь, вызывает изменение коэффициента усиления и выходного
напряжения (или тока).
В усилителе с отрицательной обратной связью
коэффициент усиления оказывается более стабильным при воздействии
дестабилизирующих факторов. Действительно, пусть в усилителе с ОС произошло
уменьшение выходного напряжения (или тока),
это приведет к уменьшению напряжения обратной связи:
UОС = UВЫХ • β.
Если по способу подачи обратная связь
последовательная, то уменьшение напряжения UОС вызовет
увеличение напряжения UВХ, а, следовательно, и напряжения UВЫХ.
Поэтому коэффициент усиления уменьшится, но в меньшей степени, чем в усилителе
без ОС.
Если по способу подачи обратная связь параллельная, то
уменьшение напряжения UОС вызовет уменьшение тока IОС, и следовательно, увеличение тока I’ВХ. Это будет способствовать увеличению
напряжения UВЫХ, т.е. и в этом случае коэффициент усиления изменится
мало.
3.3.6. Уменьшение нелинейных искажений.
Процесс уменьшения нелинейных искажений в усилителе с
ОС можно пояснить с помощью рис. 4. На рис. 4. показана переходная
характеристика IВЫХ = ƒ (UВХ) биполярного n-p-n транзистора. Постоянное смещение на транзисторе равно
U0. На вход
усилителя поступает сигнал UВХ(t), меняющийся по синусоидальному закону.
Если ОС в усилителе отсутствует, то напряжение UВХ
меняется так, как показано на рис. 4 сплошной линией. При этом коллекторный ток
JВЫХ и коллекторное напряжение изменяются явно по
несинусоидальному закону. Таким образом, сигнал в усилителе сильно искажается.
Если в усилителе есть ОС, то пропорционально
напряжению UК (или току IВЫХ) изменяется напряжение ОС UОС (на
рис. 4 показано пунктиром). При отрицательной ОС
напряжение UОС вычитается из напряжения UВХ. При
этом напряжение UБЭ меняется так, как
показано на рис. 4 точечной линией. Из рисунка ясно видно, что ток IВЫХ
меняется в этом случае по закону, более близкому к
синусоидальному.
Рис.4. Процесс усиления сигнала в усилителе без обратной связью (сплошная линия) и в усилителе с ОС
(точечная линия).
Таким образом, из-за ООС напряжение на входе усилителя
U’ВХ (или ток IВХ)
становится меньше. Нелинейность переходной характеристики проявляется при этом
в меньшей степени и нелинейные искажения уменьшаются.
3.3.7. Изменение частотных свойств.
На рис. 5 показаны частотные характеристики усилителя
без ОС (кривая 1) и усилителя с ОС (кривая 2). Уменьшение коэффициента усиления
на средних частотах в усилителе с ОС вызвано причинами, изложенными в пп. 3.3.1.
и 3.3.2.
В области верхних и нижних частот уменьшение
коэффициента усиления в усилителе с ОС приводит к уменьшению напряжения UВЫХ и
напряжения UОС. Уменьшение же напряжения UОС
способствует увеличению коэффициента усиления. Благодаря этому при введении ОС
коэффициент усиления в области нижних и верхних частот уменьшается в меньшей
степени, чем в усилителе без ОС. Поэтому полоса пропускания усилителя с ОС
шире, чем полоса пропускания усилителя без ОС.
Рис.5. Частотная характеристика усилителя без обратной
связи (1) и усилителя с обратной связью (2).
4.
ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ИССЛЕДУЕМОГО УСИЛИТЕЛЯ
Исследование влияния ОС на параметры усилителя
осуществляется на макете усилителя с бестрансформаторным двухтактным выходом.
Принципиальная схема и назначение элементов усилителя описаны в лабораторной
работе «Исследование транзисторного усилителя мощности ЗЧ с бестрансформаторным
выходом» (рис. 3 часть 2).
В этой схеме исследуется общая обратная связь,
последовательная по напряжению, охватывающая все каскады. ОС включается с
помощью переключателя S4. К элементам
этой цепи относятся резисторы R38, R39 и R40, благодаря
которым изменяется глубина ООС.
Влияние общей ООС на параметры схемы исследуется в
данной работе.
5.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
5.1. Включение измерительных приборов и усилителя
осуществляется согласно рис. 6.
Установить переключатель S4 в положение 1, включить питание приборов и макета. Установить напряжение питания 2Е0 = 15 В. Плавно
увеличивая напряжение на входе макета с помощью регулировки выходного
напряжения генератора U1, наблюдать за формой сигнала на осциллографе. При
появлении искажений синусоидального сигнала зафиксировать предельное значение U2 МАХ и U1 МАХ. В
качестве нагрузки используется резистор R36 = 16 Ом.
Рис.6. Схема включения измерительных приборов.
Рассчитать К без ОС:
5.2. Для измерения глубины ОС переключатель S4 перевести в положение 2. Напряжение U1 F
надо подобрать так, чтобы U2 F осталось таким же как и без
ОС, т.е. U2 F = 0.5 U2 МАХ.
Глубина ОС равна F = U1 F / U1, U2 = const.
Проделать то же самое при других значениях резистора
связи, поставив переключатель S4 в положение 3
и 4.
Рассчитать глубину ОС при разных значениях RСВ и
коэффициент усиления усилителя с ОС.
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.
Проанализировать полученные результаты и сделать вывод.
5.3. Для измерения АЧХ переключатель S4 в цепи ОС ставить последовательно в положения 2, 3 и
4, а переключатель нагрузки оставить в положении 4 (RН = 16
Ом). Методика измерений изложена в ч. 1 ЛР 1. Затем
выключить ОС (S4 в положение 1) и снова снять
АЧХ. Результаты измерений занести в таблицу.
Рассчитать и построить график ЧХ без ОС и с ООС.
Определить полосу пропускания, найдя по графикам частоты верхнего и нижнего среза
∆F = ƒв.ср -
ƒв.ср.
По полученным результатам сделать вывод.
5.4. Для измерения АХ без ОС и включенной
ОС переключатель S4 ставить соответственно в
положения 1, 2, 3 и 4, а S3 в положение
4. Частота измеряется ƒ0 = 1 кГц.
Результаты измерений занести в таблицу. Построить
график АХ и определить динамический диапазон усилителя без ОС, с включенной ОС:
,
где UВХ мах и UВХ min – определяются из графиков.
По полученным расчетам сделать вывод.
5.5. Исследование зависимости
выходного напряжения U2
от напряжения источника питания 2Е0, для усилителя с включенной и выключенной ОС произвести
при значении 2Е0, указанных в таблице 4. Входное напряжение U1 без ОС и
U1 F с
включенной ОС установить как в п. 5.2. и поддерживать
неизменными.
Результаты измерений заносятся в таблицу 4. Графики U2 = ƒ (Е0)
проанализировать и сделать вывод.
5.6. Для измерения выходного сопротивления надо
установить ƒ0 = 1 кГц, U1 и U1 F
такие же как в п. 5.2.
При включенной ОС, RСВ = 1,6
кОм, т.е. переключатель S4 ставить в
положение 3. Измерения проводить по следующей структурной схеме (рис.7):
Рис.7. Схема проведения измерений.
Переключатель S3 перед измерениями находится в положении 1 (RН = RН1), при
этом установить величину U1 и при дальнейших измерениях поддерживать неизменной,
т.е. соответствующее приблизительно половине
предельного выходного напряжения. Производят отсчет UН1. Затем
переключатель S3 перевести в положение 2 (RН = RН2) и
отсчитывать UН2. Далее переключатель S3 перевести в положения 3, 4, 5 и произвести отсчеты UН3, UН4 и UН5
соответственно:
; 
и т.д.,
где Е2 – эдс на выходе усилителя.
Из выражений следует:
.
Подобным образом измерить выходное сопротивление при
введении обратной связи.
Построить графики зависимости RВЫХ =
ƒ(RН),
проанализировать их и сделать вывод.
6. СОДЕРЖАНИЕ
ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
1. Результаты измерений и расчетов, сведенных в
соответствующие таблицы.
2. Графики зависимостей АЧХ, АХ, U2 = ƒ (Е0), RВЫХ = ƒ(RН) при наличии и отсутствии ООС.
3. Выводы по всем пунктам.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Объяснить назначение элементов принципиальной схемы
усилителя и элементов, используемых в цепи ОС.
2. Перечислить виды ООС и изобразить их структурные схемы.
3. Дать описание гальванических ООС в
каскадах усилителя.
4. Перечислить достоинства и недостатки усилителя с ООС.
5. Показать цепь общей ООС и объяснить зависимость ее
глубины от сопротивлений нагрузки и в цепи ОС.
6. Объяснить влияние ОС на АЧХ и АХ.
7. Объяснить, с каких точек зрения применение ОС
оказывается полезным.
8. Какие трудности возникают при
использовании глубокой ОС, охватывающей несколько каскадов.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ОТЧЕТ
1. Измерение коэффициента усиления усилителя без ООС:
2.
Измерение глубины
ООС: U1 измеряют
при U2 = 0,5 • U2 мах; RВХ оэ = RВХ об (1 + h21 оэ) – выходное сопротивление без ООС.
Измерения
и расчеты вносят в таблицу 1.
Таблица 1.
|
RСВ |
0 |
6,8 кОм |
1,6 кОм |
900 Ом |
Примечание |
|
U1, В |
|
|
|
|
U1 при U2 = 0,5
• U2 мах |
|
F, раз |
|
|
|
|
эксперимент
F = U1 F / U1 |
|
К, раз |
|
|
|
|
Эксперимент |
|
F, раз |
|
|
|
|
расчетное
F =
1 + βК |
|
RВХ, Ом |
|
|
|
|
расчет
RВХ F = RВХ • F |
3.
Измерение АЧХ.
Данные измерения и расчета АЧХ занести в таблицу 2.
Таблица 2
|
|
ƒ, кГц |
102 |
3,2•102 |
103 |
3,2•103 |
104 |
3,2•104 |
105 |
3,2•105 |
106 |
|
RСВ = =6,8 кОм |
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = =1,6 кОм |
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = =900 Ом |
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У, дБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построить графики У
(дБ) = ψ (ƒ) / U1 = const.
4. Измерение АХ. Данные зависимости U2 =
ƒ(U1) при
ƒ0 = 1 кГц и размер значений RСВ занести
в таблицу 3.
Таблица 3
|
U2, В |
3,5 |
2 |
1,5 |
1 |
0,5 |
0,2 |
Примечание |
|
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
RСВ = 0 |
|
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
RСВ = 900
Ом |
|
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
RСВ = 1,6
кОм |
|
U1, мВ |
|
|
|
|
|
|
RСВ = 6,8
кОм |
Построить графики и определить по ним ДУ
– динамический диапазон усилителя.
U2, В 3 2 1
; 
.
5. Исследование U2 = ƒ(2Е0) при разных
RСВ.
Таблица 4
|
2Е0, В |
|
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
|
Примечание |
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = 0 |
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = 900
Ом |
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = 1,6
кОм |
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
RСВ = 6,8
кОм |
По данным таблицы 4 построить графики U2 =
ƒ(2Е0).
6. Измерение выходного сопротивления.
Таблица 5
|
RСВ = 1,6
кОм |
RСВ = 0 |
|||||
|
U1 F = … , мВ |
U1 = … ,
мВ |
|||||
|
RН, Ом |
U2 F, В |
J2 F, мА |
RВЫХ F, Ом |
U2 , В |
J2 , мА |
RВЫХ , Ом |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
ƒ0 = 1кГц; RВЫХ = U2 F /
J2 F;
,
; .
По данным таблицы 5 построить графики
зависимости
RВЫХ, Ом
7. Анализ полученных результатов и выводы.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Опадчий Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.:
Радио и связь, 1989, с. 264.
2. Мурадян А.Г., Разумихин В.И., Тверецкий М.С.
Усилительные устройства. – М.: Связь, 1989, с. 280.
3. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.:
Радио и связь, 1990.
4. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. –
М.: Радио и связь, 1993, с. 320.
5. Раздаточный материал по курсу «Усилительные
устройства», часть 2 – Ташкент: ТУИТ, 2002.
6. Характеристики транзисторов
справочное пособие по курсовому и дипломному проектированию). – Ташкент: ТУИТ, 2002.
Сборник
описаний лабораторных работ по курсу усилительных устройств (часть 2).
Печатается по
решению кафедры «Устройств радиосвязи» ТУИТ (протокол № _35___ от «__» 23.04.
Составители: _Давронбеков
Д. А.,
Ни Э. В._______________