Режим работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки на переходной характеристике транзисторов, являющихся управляемым элементом усилительного каскада, существует три режима работы каскада: А, В и С.

П ереходной характеристикой транзистора является функция I_K=f (I_б)- зависимость тока коллектора от тока базы, рис. 3. Линейный участок на этой характеристике (участок ab) характеризуется минимальными искажениями усиливаемого сигнала. При выборе рабочей точки n в начале линейного участка (точка b) усиливается только положительная составляющая усиливаемого сигнала.

Рис.3 Переходная характеристика транзистора

Точка n на этой характеристике определяет величину тока коллектора

I_К и тока базы I_б в отсутствие входного сигнала (состояние покоя).

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают на линейном участке переходной характеристики транзистора, обычно посередине (как на рис.3). При этом значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически полностью повторять форму входного.

К.п.д. усилителя η определяется отношением выходной мощности Р_вых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р_вх:

η = Р_вых/Р_вх .

12

В режиме А к.п.д. самый низкий (меньше 0,5) и редко превышает 0,35. Это объясняется большим током покоя в отсутствие входного сигнала (постоянная составляющая потерь). Это основной недостаток режима А. Достоинство же – отсутствие искажений усиливаемого сигнала.

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики – точка b на рис.3. Эта точка называется точкой отсечки.

В режиме В усиливается только та часть сигнала, которая способствует отпиранию транзистора и появлению коллекторного тока. Другая часть сигнала, условно назовем ее отрицательной, способствует еще большему запиранию транзистора, т.е. коллекторный ток будет близок к нулю. В случае синусоидального сигнала усиленный сигнал будет иметь форму полусинусоиды, что характеризует очень большое искажение усиливаемого сигнала. Достоинством этого режима является высокий к.п.д., достигающий в некоторых случаях 80%. Этот режим используется, как правило, в двухтактных усилителях мощности.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки, при этом время отпирания транзистора меньше величины полупериода.

Этот режим характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала, зато к.п.д. усилительного каскада приближается к 100%. Режим С используется в автогенераторах и избирательных усилителях.

Для оценки диапазона входных напряжений, в котором усиливаемые сигналы усиливаются пропорционально, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного напряжения U_вх (рис.4). Линейный участок этой характеристики, характеризуется постоянным коэффициентом усиления по напряжению К_n = U_вых/U_вх

Как правило, этот участок характеризуется наименьшим уровнем нелинейных искажений.

Рис.4 Амплитудная характеристика усилительного каскада

13

При очень больших амплитудных значениях усиливаемого сигнала U_вх рост выходного напряжения замедляется, и коэффициент усиления падает, что сопровождается ростом нелинейных искажений. Соответственно различают зоны: нечувствительности, линейности и насыщения. В зоне нечувствительности, при малых входных сигналах коэффициент усиления мал и неустойчив.

Другой важной характеристикой является амплитудно-частотная. Это зависимость коэффициента усиления К от частоты ω. Зависимость К_U=f(ω) представленная на рис.5, характеризует области нижней ω_н.гр и верхней ω_в.гр граничных частот, а также область с относительно устойчивым коэффициентом усиления К_U. Снижение коэффициента усиления К_U в области верхней ω_в.гр и нижней ω_н.гр граничных частот называют частотными искажениями.

Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада

Это название обусловлено тем, что при усилении переменного сигнала отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерности частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиленного сигнала искажается.

Диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя достаточно равномерна и коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.

Полоса пропускания усилителя – это область между нижней и верхней граничными частотами ω_н.гр.- ω_в.гр.

Из практических соображений допустимое значение частотных искажений принимают равным 1/ К_U (~0,7 К_U), в связи с этим ω_н.гр. и ω_в.гр. сдвинуты за пределы линейного участка амплитудно - частотной характеристики.

14

План работы:

1. Ознакомиться со схемой полупроводникового двухкаскадного усилителя.

2. Определить вход усилителя и выходы с первого и второго каскадов.

3. Ознакомиться с устройством генератора синусоидальных сигналов.

Нажатие соответствующих кнопок генератора означает частоты:

100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц (Полностью отжатые кнопки соответствуют частоте 15000 Гц).

4. Снять амплитудную характеристику усилителя:

– установить частоту генератора 1000 Гц;

– включить стенд (тумблером Сеть);

– подать напряжение от генератора на вход усилителя равное, 0,05 В;

– переключить вольтметр на выход и записать в таблицу выходное (усиленное) напряжение;

– последовательно увеличивая величину входного напряжения U_вх через 0,05В до 0,4 В измерять напряжение U_вых на выходе 1-го каскада при каждом опыте;

– одновременно при помощи осциллографа, подключенного к выходу первого каскада, проследить форму усиленных сигналов, отметив при каком входном напряжении начинает искажаться форма выходного сигнала.

Данные измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Uвх, B	0,05	0,1	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
Uвых, B

3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при входном напряжении U_вх = 0,2 В (при таком сигнале линейные искажения еще не заметны):

– изменяя частоту генератора, замерить выходное напряжение на всех частотах генератора при неизменном входном напряжении;

– при помощи осциллографа проследить форму выходных сигналов, отметив область частот, где наблюдаются искажения формы синусоидальных сигналов.

Данные свести в таблицу 2.

В эту же таблицу записать значения коэффициента усиления К_U на разных частотах, вычислив их по формуле К = U_вых/U_вх:

15

Таблица 2.

f, Гц	100	500	1000	5000	15000
Uвх, B	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2
Uвых, B
KU

4. На основании данных табл. 1 и 2 построить амплитудную и амплитудно- частотную характеристики.

Контрольные вопросы:

1. Определение и классификация усилителей?

2. Начертить и объяснить блок-схему усилительного каскада?

3. Режимы А, В, и С, их достоинства и недостатки. В каких случаях они применяются?

4. Что такое коэффициент усиления, как определить коэффициент усиления многокаскадного усилителя? Что такое многокаскадные усилители?

5. Объяснить схему и работу двухкаскадного усилителя.

5. Что такое нелинейные искажения?

6. Начертить и объяснить амплитудную характеристику.

7. Начертить и объяснить амплитудно-частотную характеристику.