Исследование трехкаскадного транзисторного усилителя напряжения и мощности

Цель работы

Исследовать амплитудные и частотные характеристики трехкаскадного усилителя с емкостной связью и двухтактным выходным каскадом. Изучить влияние обратных связей и режима работы транзисторов на свойства усилителя.

Содержание работы

1. Произвести наладку работы усилителя.

2. Снять амплитудную и амплитудно-частотную (АЧХ) характеристики

многокаскадного усилителя с обратной связью и без обратной связи.

Общая часть

Многокаскадные усилители применяются для получения большого результирующего коэффициента усиления K_U, который определяется произведением коэффициентов отдельных каскадов.

Амплитудно-частотной характеристикой усилителя называют зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного гармонического сигнала K_U = f (w).

Практически используются логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ), для которых по оси ординат откладывается коэффициент усиления в децибелах K_{U [дБ]} = 20lg K_U, а по оси ординат – частота w в логарифмическом масштабе. Это повышает точность отсчета низких частот при широком частотном диапазоне, а также дает возможность графического сложения ЛАЧХ отдельных каскадов для получения результирующей ЛАЧХ всего усилителя.

Полоса пропускания частот усилителя определяется по ЛАЧХ между низшей f _н и высшей f _в частотами, при которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ по сравнению с его значением на средних частотах. При этом низшая частота f _н зависит от емкости разделительного конденсатора и входного сопротивления каскадов. На высших частотах уменьшение коэффициента усиления обусловливается входной емкостью каскадов и «паразитной» емкостью монтажа.

Обратной связью (ОС) в усилителях называют явление передачи сигнала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи.

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной обратной связью принято называть ОС, охватывающую отдельные каскады или части усилителя, а общей обратной связью – ОС, охватывающую весь усилитель целиком.

Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной – увеличивается. Существуют схемные решения, позволяющие осуществлять обратную связь для постоянной и переменной составляющих, а также всего сигнала.

По способу включения ОС делят на четыре типа. Два из них обусловливаются видом сигнала ОС, снимаемого с выхода усилителя, то есть по напряжению или по току. Два других характеризуют схему соединения цепи ОС и входа усилителя, которое может быть последовательным или параллельным.

Несмотря на то, что отрицательная ОС уменьшает результирующий коэффициент усиления, она расширяет полосу пропускания частот, повышает стабильность всех параметров усилителя и уменьшает нелинейные искажения.

 

Порядок выполнения работы

3.1. Собрать схему трёхкаскадного усилителя без общей обратной связи (рис. 3.1).

3.2. Произвести наладку режима работы 1 и 3 каскадов. Для этого подключить осциллограф к выходу первого каскада, подать входной сигнал частотой 1000 Гц и, увеличивая его регулятором напряжения U ₃, обеспечить с помощью переменного резистора R ₅ симметричное ограничение формы выходного сигнала U _вых1 = U ₄. Переключить осциллограф на выход 3 каскада, составленного по двухтактной схеме. Уменьшить выходной сигнал U _вых3 = U ₈ до уровня 1 В и устранить с помощью переменного резистора R ₇ искажение типа «ступенька». Зарисовать форму выходного напряжения с искажениями типа «ограничение» и «ступенька».

3.3. Снять и построить амплитудную характеристику U _вых = f (U _вх) усилителя без и с ОС на частоте входного сигнала 1000 Гц (табл. 3.1). Значения входного напряжения U _вх = U ₁ выбирать таким образом, чтобы 5 –6 точек соответствовали линейной части характеристики, а 2 – 3 точки – области нелинейных искажений. Переменные напряжения на входе U _вх и на выходе U _вых усилителя измерять внешним вольтметром относительно общего провода. По экспериментальным данным определить коэффициент усиления K_U = и занести его значения в табл. 3.1.

Таблица 3.1

U вх, мВ									KU	Схема
экспер.	теор.
U вых, В											без ОС
U вых, В											с ОС

 

3.4. Вычислить теоретическое значение общего коэффициента усиления K_U = K_{U 1} K_{U 2} K_{U 3} без ОС. При этом необходимо учесть, что в 1-м каскаде действует местная ОС за счет резистора R _э, в эмиттере транзистора. Когда сопротивление резисторов R _э и R _к соизмеримы, для определения K_U можно использовать выражение:

, где ;

3-й каскад является повторителем и его коэффициент усиления близок к единице: К _{U 3} » 1.

3.5. Снять и построить амплитудную характеристику усилителя

U _вых = f (U _вх) при наличии общей отрицательной ОС. Для этого включить цепь ОС, повторить измерения и расчёты аналогично пункту 3.3 и занести результаты в табл. 3.1.

3.6. Вычислить теоретический коэффициент усиления при ОС:

, где – коэффициент цепи передачи ОС.

3.7. Снять и построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) K_{U [дБ]} = F (f) усилителя без ОС. Для этого подать входной сигнал

U _вх = U ₁ = 10 мВ и, изменяя его частоту в пределах от 32 Гц до 64 кГц, измерять выходное напряжение U _вых = U ₈ внешним вольтметром (табл. 3.2).

По полученным данным определить K_{U [дБ]} = 20lg K_U. При построении графика АЧХ наносить частоту f в логарифмическом масштабе.

Таблица 3.2

 

f, кГц

0,032

0,063

0,125

0,25

0,5

Схема

U вых, В

Без ОС

KU

KU, дБ

U вых, В

с ОС

KU

KU, дБ

KT 315 Ж

5 мкФ

S 2

+E 2

KT 3117 А

R 15

5,1 к

C 5

R 12

56 к

10 мкФ

C 3

10 мкФ

KT 603 A

R 5

16 к

C 1

G

KT 3127 А

2,4 к

C 4

5,1 к

R 17

R 14

30 к

0,2 к

R 8

VT3

VT4

U 7

R 16

11 к

R 11

R 13

VT2

1 к

R 10

R 9

+ -

20 мкФ

C 2

R 2

U 5

6,2 к

R 6

VT1

U 4

3 к

R 7

68 к

1 к

R 4

R 1

X 3

R 3

5 мкФ

U 1

Рис. 3.1. Схема для исследования трехкаскадного усилителя

3.8. Снять и построить АЧХ усилителя K_{U [дБ]} = F (f) с ОС. Для этого включить цепь ОС и провести измерения и расчеты по аналогии с п. 3.7. Результаты занести в табл. 3.2. АЧХ по пункту 3.7 и 3.8 строить совместно на одном графике.

Содержание отчета

1. Таблицы экспериментальных и расчётных данных – 2 шт.

2. Амплитудные характеристики усилителя с ОС и без ОС.

3. АЧХ усилителя без ОС и с ОС, построенное в логарифмическом масштабе на одном графике.

4. Экспериментальная схема.

5. Графики U _вых(t) с искажениями типа «ограничение» и «ступенька».

5. Контрольные вопросы

1. Объяснять назначение всех элементов схемы усилителя.

2. В каком каскаде усилителя возникают и от чего зависят искажения

сигнала типа «ступенька» и «ограничение»?

3. Как определяется общий K_U многокаскадного усилителя?

4. К какому типу по способу включения относится ОС исследуемого усилителя?

5. Как влияет ОС на амплитудную характеристику усилителя и его коэффициент усиления?

6. От чего зависит «завал» АЧХ на низких и высоких частотах?

7. С какой целью используется логарифмический масштаб на графике АЧХ?

8. Как влияет ОС на АЧХ усилителя?

9. Как определить полосу пропускания частот усилителя напряжения?

10. Как отличается КПД усилительного каскада класса A и класса B?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4