Лабораторная работа 7-8 Теоретические сведения Усилителем электрических колебаний

Лабораторная работа 7-8
Теоретические сведения
Усилителем электрических колебанийназывается устройство, которое предназначено для усиления по мощности входного электрического сигнала без искажения его формы и частоты за счет потребления энергии источника питания.
Необходимость в усилителе возникает тогда, когда мощность источника сигнала меньше требуемой мощности на выходной нагрузке.
Общая структурная схема усилителя приведена на рис.1.

Входной сигнал от управляющего источника E_г поступает на входные клеммы (1 - 2) усилителя через внутреннее сопротивление источника R_г. Мощность источника входного сигнала выделяется на входном сопротивлении усилителя R_вх. Нагрузка усилителя подключается к клеммам (3 - 4). Основным элементом усилителя является усилительный элемент (биполярный или полевой транзистор), который вместе с резистором нагрузки и источником питания выходную цепь усилителя. Источник входного сигнала действует не непосредственно на нагрузку, а на вход усилительного элемента. Принцип усиления электрического сигнала заключается в преобразовании энергии источника питания в энергию переменного выходного сигнала путем изменения проводимости усилительного элемента по закону изменения входного сигнала.
К основным параметрам усилителя относятся:
1) коэффициент усиления
- по напряжению К_U = U_вых / U_вх;
- по току К_I = I_вых / I_вх;
- по мощности К_Р = К_U ·К_I;
2) входное сопротивление – сопротивление между входными клеммами усилителя для переменного входного тока R_вх= DU_вх / DI_вх;
3) выходное сопротивление усилителя – сопротивление между выходными клеммами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки R_вых= DU_вых / DI_вых;
4) коэффициент полезного действия (к.п.д.) ή = Р_вых / Р_о, как отношение мощности полезного сигнала Р_вых в нагрузке усилителе к мощности Р_о, потребляемой от источника питания.
К основным характеристикам усилителя относятся амплитудно-частотная (АЧХ) и амплитудная (АХ) характеристики.
ПодАЧХ – К(f) усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ показан на рис.2.
В пределах полосы средних частот усилитель имеет наибольший коэффициент усиления - К₀. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в  раз относительно значения К₀, называют верхней ( f_B.гр.) и нижней ( f_H.гр.) граничными частотами, а разница Df = f_B.гр.- f_Н.гр – полосою пропускания усилителя. Нижней и верхней частотам полосы пропускания усилителя соответствует определенный коэффициент частотных искажений – М_н = М_в = К(f) / К₀, где К(f) - коэффициент усиления усилителя на данной частоте.
АХ– U_{m вых} = f ( U_{m вх} ) – это зависимость амплитуды выходного напряжения U_{m вых} от амплитуды напряжения на входе U_{m вх} при некоторой постоянной частоте ( рис. 3).

АХ начинается не с нуля и имеет линейную часть ( 1 – 2 ) , в пределах которой пропорциональным изменениям входного сигнала соответствуют пропорциональные изменения выходного - U_вых = К ·U_вх, и горизонтальную часть, где эта пропорциональность нарушается, при этом выходной сигнал искажается. Это связано с тем, что рабочая точка транзистора попадает в область насыщения или отсечки (усилитель выходит с линейного режима). При больших амплитудах входных сигналов U_{m вх} > U_{вх max} выходное напряжение усилителя перестает возрастать. АХ ограничивается сверху потому, что размах U_вых не может превышать величину напряжения питания.
Присутствие напряжения на выходе усилителя при U_вх < U_{вх. min} и даже при U_вх = 0, определяется собственными шумами усилителя. Участок ниже от точки ( 1 ) обычно не используют.
Отношение амплитуды максимально допустимого входного напряжения к минимально допустимой D = U_вх.mах / U _вх.min – называют динамическим диапазоном усиления усилителя. ( U_вх.mах – U _вх.min ) – рабочий диапазон линейного усиления входного напряжения.
Нелинейность характеристики при входных напряжениях меньше чем U_вх.min, поясняется наличием собственных шумов и помех усилителя.
В зависимости от схемы включения биполярного транзистора усилитель можно построить по схеме:
- с общей базой – ОБ;
- с общим эмиттером – ОЭ;
- с общим коллектором – ОК.
Исследованию подлежит наиболее распространенная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ, которая приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема усилительного каскада на БТ по схеме ОЭ
Рассмотрим состав схемы и назначение элементов.
VT – биполярный транзистор ( БТ ) – усилительный элемент.
R_Н – нагрузка усилителя, на которой выделяется усиленный сигнал.
R_К – коллекторная нагрузка транзистора по постоянному току.
E_К – источник питания.
Отметим: VT вместе с R_К и E_К образуют главную (выходную) цепь усилителя, в которой осуществляется усиление сигнала. Остальные элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Так например, делитель напряжения R₁, R₂ задает режим покоя БТ, подавая на вход каскада постоянное напряжение U_Б.
R_Э, С_Э – обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя.
С₁ і С₂ – разделительные конденсаторы: С₁ исключает поступление постоянного напряжения на источник входного сигнала; С₂ исключает поступление постоянного напряжения с коллектора на нагрузку.
Для расчета режима покоя схемы, параметры элементов которой известны, используют следующие формулы:
где  ;
где U_БЭ0 = 0,7В; 
.
Основные параметры каскада определяют по следующим соотношениям:
1.  где 
2.   .
3.  4.  , где 
Задание лабораторной работы
Виртуальная схема исследования в среде Еlectronics Workbench ( ЕWB) приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема исследования характеристик и параметров усилителя
Значения параметров элементов схемы следующие:
VT – 2N3904 - биполярный транзистор n-p-n типа; Е_К = 15 В; R₁ =10 кОм; R₂ = 2 кОм; R_K = 2 кОм; R_Э =660 Ом; R_H = 2 кОм; С₁ = С₂ = С_Э = 50 мкФ.