Лабораторная работа №7
Цель работы. Ознакомиться с принципом работы резисторного усилителя напряжения и основными его характеристиками.Исследовать зависимости выходного напряжения, коэффициента усиления и нелинейных искажений от величины сопротивления нагрузки коллектора, от амплитуды входного напряжения, от частоты входного напряжения.
Приборы и оборудование. Лабораторный стенд, генератор звуковой частоты, электронный осциллограф, источник питания.
Краткая теория Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на входе электрических колебаний получить на выходной нагрузке колебания той же формы, но с большим уровнем мощности. Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник питания и активный усилительный элемент, например транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний. Входное колебание является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.
Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания и пассивные цепи (рис. 1). По отношению к усиливаемым колебаниям усилитель может рассматриваться как электрический четырехполюсник, поскольку имеет две входные и две выходные клеммы. Как правило, одна входная и одна выходная клеммы соединены общей шиной, называемой «землей».
Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:
1) по виду используемого усилительного элемента - ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;
2) по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);
3) по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;
4) по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и импульсных сигналов;
5) по усиливаемой электрической величине усилители напряжения, тока, мощности;
6) по типу нагрузки - резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.
Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.
Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала (напряжение, ток или мощность) к входной. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению К U, по току K I или по мощности К P.
Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):
 ,  .
| (1) |
Коэффициент усиления по мощности К Р показывает, во сколько раз активная мощность Р вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R Н больше активной мощности Р вх подводимой к его входным зажимам:
Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах - децибелах: КР дБ = 10 lgКР.
В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере, однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом К U. Поэтому для коэффициента К U в дальнейшем индекс U будет опускаться.
Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные.
Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.
Под АЧХ усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис. 2. Иногда амплитудно-частотной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты сигнала при постоянном входном напряжении.
Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты.
Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) К Г. Этот коэффициент измеряется на выходе, усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением
 ,
| (2) |
где 
-напряжение и мощность полезного сигнала на выходе усилителя, 
, 
, 
, 
-напряжения и мощности соответствующих гармоник.
АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений. В этом случае коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала: он может быть определен как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс (см. рис. 3)
О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного 
(рис. 3)
Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов.
Динамический диапазон усилителя оценивается по 
и 
:
| (3) |
В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.
В работе изучается резисторный (апериодический) усилитель напряжения. Резисторными усилителями называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Резисторные усилители широко применяют для усиления напряжения звуковой частоты. На рисунке 1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе. Для установления необходимого режима работы биполярного транзистора с помощью резисторов R 1 и R 2 на базе создается заданное напряжение U Б0. Резистор R К обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Стабилизация работы транзистора при изменении температуры осуществляется включением резистора R Э. Чтобы сопротивление R Эне сказывалось на переменном токе, его шунтируют конденсатором C Э. Разделительные конденсаторы С Р препятствуют передаче постоянной составляющей напряжения.
Рис. 4.
Выполнение работы.
Схема установки представлена на рис. 4. Выходное напряжение с звукового генератора подается на вход усилителя. Нелинейные искажения и величины выходного напряжения определяются с помощью осциллографа. Напряжение питания подается с источника питания (напряжение питания 5В).
Задание.
1. Подать на вход усилителя напряжение указанное преподавателем (1…20 мВ) частотой F = 1 кГц. Положение переключателей SA2 и SA3 укажет преподаватель. Изменяя величину сопротивления нагрузки R К переключателем SA1, определите по осциллографу амплитуду выходного напряжения. В случае появления искажений зарисовать форму сигнала. Рассчитать по формуле (1) коэффициент усиления. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.
Таблица 1.
| Um вх = | ||||||||||
| (№) R К,кОм | (1) 0,33 | (2) 0,62 | (3) 0.91 | (4) 1,2 | (5) 1,5 | (6) 1,8 | (7) 2,2 | (8) 2,4 | (9) 2,7 | (10) |
| Um вых, В | ||||||||||
| К |
По результатам измерений построить графики зависимости 
и 
и определить величину оптимального сопротивления нагрузки R К опт .
Оптимальным сопротивлением называется сопротивление нагрузки, при котором коэффициент усиления максимален, а искажения меньше заданных.
2. Установить R К= R К опт , F = 1000 Гц и, изменяя амплитуду входного напряжения, определить по осциллографу величину выходного напряжения, рассчитать коэффициент усиления. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 2.
Таблица 2.
| R К= | |||||||||
| Um вх, мВ | |||||||||
| lg(Um вх, мВ) | 0.3 | 0.5 | 0.7 | 1.3 | 1.5 | 1.7 | |||
| Um вых, В | |||||||||
| К |
По результатам измерений построить графики зависимости Umвых=f(Umвх) и K=f(Umвх) в полулогарифмическом масштабе. Для построения графика в полулогарифмическом масштабе по оси ординат отложить амплитуду входного напряжения и коэффициент усиления в линейном масштабе, а по оси абсцисс – амплитуду входного напряжения в логарифмическом масштабе.
По формуле (3) определить динамический диапазон усилителя.
4. Установить Um вх как в пункте 2, R К= R К опт , изменяя частоту входного напряжения определить величину выходного напряжения, рассчитать коэффициент усиления. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.
Таблица 3.
| Um вх =; R К= | ||||||||||||||
| F, Гц | 103 | 2× ×103 | 3× ×103 | 5× ×103 | 104 | 2× ×104 | 3× ×104 | 5× ×104 | 105 | |||||
| lg(F, Гц) | 1.7 | 2.3 | 2.5 | 2.7 | 3.3 | 3.5 | 3.7 | 4.3 | 4.5 | 4.7 | ||||
| Um вых,В | ||||||||||||||
| К |
По результатам измерений построить графики зависимости Um вых и К от частоты входного напряжения в полулогарифмическом масштабе. Определить полосу пропускания усилителя D F (см. рис. 2).
