Целью работы является исследование функциональной схемы, принципа действия и характеристик усилителя класса D.
Основные сведения. Существуют различные способы построения усилителей сигналов; самым простым является усилитель, при прохождении через который сигнал не претерпевает изменений по форме и лишь увеличивается по амплитуде и, возможно, меняет свою фазу. Такой усилитель называют усилителем класса А. В усилителях класса В отдельно усиливаются положительные и отрицательные полуволны сигнала, после чего происходит их сложение. Усилитель класса С усиливает только отсеченные от гармонического сигнала верхнюю и нижнюю части в пределах нескольких десятков градусов, в результате чего после суммирования требуется восстановить исходную форму сигнала, что и осуществляется с помощью колебательного контура, настроенного на частоту сигнала. В усилителе класса D в процессе усиления сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных видеоимпульсов, увеличиваются их амплитуда и мощность и затем исходная форма сигнала восстанавливается с помощью фильтра низкой частоты. Применение более сложных усилителей оправдано свойственным для них высоким КПД: так, усилитель класса D имеет КПД порядка 90–95 %. Усилитель класса D может усиливать как постоянные, так и переменные сигналы. В состав усилителя входят мультивибратор, вырабатывающий двухполярный меандр; интегратор на операционном усилителе, преобразующий прямоугольные импульсы в равнобедренные треугольные; двухвходовый компаратор, обеспечивающий сравнение входного сигнала и треугольных импульсов; двухтактный усилитель для усиления импульсов, образующихся на выходе компаратора, и фильтр низкой частоты, восстанавливающий исходную форму сигнала. Функциональная схема усилителя приведена на рис. 12.1. Сигнал на выходе компаратора называют сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигналом), так как длительность («ширина») импульсов зависит от мгновенного значения усиливаемого сигнала. Если мгновенное значение усиливаемого сигнала слишком велико или слишком мало и превосходит амплитуду треугольных импульсов, поступающих с выхода интегратора, то на выходе компаратора импульсы исчезают и ШИМ-сигнал превращается в постоянное напряжение.
Выбор периода треугольных импульсов Т определяется максимальной частотой усиливаемого сигнала f max: для качественного воспроизведения сигнала необходимо обеспечить соблюдение условия Т < 0,1/ f max.
ШИМ-сигнал имеет богатый гармониками спектр, включающий низкочастотные гармоники, определяемые усиливаемым сигналом, более высокочастотные гармоники спектра треугольных импульсов, комбинационные составляющие. Восстановление исходного сигнала после его трансформации в процессе усиления заключается в устранении из спектра лишних гармоник с помощью низкочастотного фильтра.
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят макет, регулируемый источник постоянного напряжения, низкочастотный генератор гармонического сигнала, осциллограф, вольтметр для измерения постоянного напряжения, вольтметр для измерения переменных сигналов. На лабораторном стенде имеются миллиамперметры для измерения токов, потребляемых от источников питания макета при различных значениях усиливаемого сигнала.
Порядок выполнения работы:
1. Исследование режима усиления постоянных сигналов:
а) подключить ко входу усилителя регулируемый источник постоянного напряжения, к выходу – вольтметр для измерения постоянного напряжения и осциллограф. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет;
б) установить на выходе регулируемого источника питания напряжение 0 В. Подключая осциллограф поочередно к контрольным гнездам на выходе мультивибратора, интегратора и компаратора, зарисовать с соблюдением масштаба осциллограммы напряжений в указанных точках;
в) подключить осциллограф к контрольному гнезду на выходе компаратора. Изменяя напряжение регулируемого источника постоянного напряжения от нуля в сторону сначала положительных, а затем в сторону отрицательных значений (через 0,3 В), регистрировать с помощью осциллографа длительности положительного и отрицательного импульсов (соответственно, τ + и τ –), посредством миллиамперметров, расположенных на лабораторном стенде, – токи I 1 и I 2, потребляемые от источников питания, а также выходное напряжение (U вых). Измерения прервать при исчезновении (слиянии) положительных, а также отрицательных импульсов. Результаты измерений свести в единую таблицу и представить в виде трех графиков: зависимость τ + и τ – от U вх; зависимость I 1 и I 2 от U вх; зависимость U вых от U вх.
2. Исследование режима усиления переменных сигналов:
а) подключить ко входу макета низкочастотный генератор гармонического сигнала, к выходу – осциллограф и вольтметр для измерения переменных сигналов;
б) измерить амплитудную характеристику усилителя при частоте сигнала 200 Гц (напряжение входного сигнала – от 10 мВ до 4 В);
в) измерить амплитудно-частотную характеристику усилителя в полосе частот от 20 Гц до 5 кГц (при напряжении входного сигнала 100 мВ). Измерение произвести при отключенной и подключённой дополнительной емкости в фильтре.
Содержание отчета:
1. Функциональная схема исследуемого усилителя.
2. Результаты экспериментальных исследований по п. п. 1 и 2 в форме таблиц, графиков и рисунков.
3. Выводы.
Список литературы
Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1982.
Бескид П. П., Погодин А. А., Филимонов Ю. Л. Электроника: учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ), СПб., 1998.
Погодин А. А., Филимонов Ю. Л., Шишкин А. Д. Синтез электронных схем в устройствах электрорадиоавтоматики: учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ), СПб., 1994.
Погодин А. А. Электроника: учеб. пособие. СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.
Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. М.: Радио и связь, 1984.
Cодержание
| Методика измерения основных характеристик электронных цепей……… | |
| Лабораторная работа № 1. Исследование дифференцирующих и интегрирующих цепей………………………………………………………... | |
| Лабораторная работа № 2. Исследование схем включения транзисторов... | |
| Лабораторная работа № 3. Исследование усилителя низкой частоты…….. | |
| Лабораторная работа № 4. Исследование импульсного широкополосного усилителя……………………………………………………………………… | |
| Лабораторная работа № 5. Исследование обратных связей в усилительных схемах…………………………………………………………………….. | |
| Лабораторная работа № 6. Исследование операционного усилителя……... | |
| Лабораторная работа № 7. Исследование схем коррекции операционного усилителя……………………………………………………………………… | |
| Лабораторная работа № 8. Исследование RC -генераторов………………… | |
| Лабораторная работа № 9. Исследование электронных ключей…………... | |
| Лабораторная работа № 10. Исследование мультивибраторов. …………… | |
| Лабораторная работа № 11. Исследование генераторов линейно и ступенчато изменяющихся напряжений…………………………………….. | |
| Лабораторная работа № 12. Исследование усилителя класса D…………… | |
| Список литературы…………………………………………………………… |
Редактор И. Г. Скачек
Подписано в печать Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Гарнитура «Times». Печ. л. 4,25
Тираж 75 экз. Заказ
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
