568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

П2. Основы испытания усилителей

Испытание или исследование усилителя состоит в измерении отдельных параметров и снятии характеристик усилителя. Важно, чтобы условия измерений были выбраны правильно. Например, измерения линейных параметров и характеристик (коэффициента усиления, частотной характеристики, выходного сопротивления и т. д.) должны производиться в условиях, исключающих влияние перегрузки (нелинейности) усилителя и его шумов. Для этого уровень сигнала на входе усилителя при снятии линейных характеристик должен быть в 2–3 раза меньше номинального уровня, при котором начинают возникать нелинейные искажения, а помехи еще незаметны.

П2.1. Определение номинальных напряжений

Если имеют дело с незнакомым усилителем, то начинают его испытания с определения номинального входного напряжения или номинального напряжения источника сигнала Еист ном. Номинальным называется такое максимальное напряжение, при котором на выходе не проявляются нелинейные искажения.

Для измерения номинальных напряжений к входу усилителя подводится синусоидальное напряжение средней частоты (1000 Гц для звуковых усилителей). Амплитуда сигнала (с помощью ручки плавной регулировки выходного напряжения генератора) постепенно увеличивается. Сигнал на выходе усилителя контролируется осциллографом. При достижении едва заметных на глаз искажений формы синусоидального сигнала, имеет значение Uвых ном и соответ-

ствующее ему Еист ном.

Следует убедиться, что искажения синусоидального сигнала вызваны усилителем, а не перегрузкой осциллографа или выходного каскада генератора. Для этого достаточно попробовать ослабить сигнал делителем на входе осциллографа или генератора.

Последующие измерения линейных параметров и характеристик усилителя

обычно проводят при Uвх ≤ 0,5 Uвх ном (Еист ≤ 0,5 Еист ном), чтобы на измерения не влияла нелинейность усилителя.

П2.2. Измерение амплитудной характеристики

Амплитудная характеристика усилителя Uвых = f(Uвх) или сквозная амплитудная характеристика Uвых = f(Еист) позволяет приближенно оценить линейность характеристики усилителя, определить номинальные уровни напряжений, которые можно подавать, на вход и получать с выхода усилителя. Типичный вид амплитудной характеристики приведен на рис. П2.1. В скобках по оси абсцисс приведены параметры для сквозной амплитудной характеристики.

Измерения проводятся на средней частоте усилителя (там, где влияние реактивных элементов незаметно). Входное напряжение изменяют от нуля до примерно полуторакратного номинального значения. Для выявления линейного участка характеристики на него должно приходиться не менее пяти точек. Не-

61

совпадение показаний на различных пределах шкал вольтметров может вызвать нелинейность амплитудной характеристики. Во избежание этого, следует сверять показания при переходе со шкалы на шкалу.

Измерение первой точки амплитудной характеристики – напряжения собственных помех Uпом – производится при Uвх = 0. Для получения Uвх = 0 нельзя отключать провода, идущие от генератора к усилителю. Это может вызвать наводки, которых не было при нормальной работе усилителя. Напряжение Uвх = 0 следует получать путем установки на минимум ручки плавной регулировки напряжения и на максимум – ступенчатого регулятора ослабления генератора. Напряжение Uпом обычно невелико. Поэтому следует пользоваться более чувствительной шкалой вольтметра.

По амплитудной характеристике можно определить динамический диапазон усилителя, который оценивает величину линейного участка

Uвых мин

Uпом

Рис. П2.1. Амплитудная характеристика усилителя

П2.3. Измерение амплитудно-частотной характеристики на реальном макете

При снятии амплитудно-частотной К(f) (или сквозной амплитудночастотной К*(f)) характеристики (АЧХ) нужно обращать особое внимание на тщательность установки выбранного значения Uвх (или Еист) и отсчета напряжения Uвых, поскольку при малых частотных искажениях даже небольшие неточности сильно изменяют характер получаемой кривой. В связи с этим, полезно выбрать такое значение Uвх ≤ 0,5 Uвх ном, для которого на шкале прибора имеется риска, чтобы легче было поддерживать неизменное значение Uвх при изменении частоты. При отсчете Uвых следует записывать доли делений шкалы прибора.

62

Важно помнить, что дополнительные цепи, подключаемые к измеряемому усилителю, могут заметно изменить емкость С0 (показана пунктиром на рис. П2.2, учитывает влияние паразитных емкостей, параллельных сопротивлению нагрузки: емкости монтажа, выходной емкости усилительного элемента, входных емкостей измерительных приборов), определяющую частотную характеристику каскада в области высших частот. Поэтому необходимо использовать вольтметры, имеющие минимальную входную емкость, а провода, идущие к осциллографу от исследуемого каскада, отключить на время снятия частотной характеристики (особенно для широкополосных каскадов).

Пределы изменения частоты, если нет особых указаний, выбираются так, чтобы получить на краях полосы частот снижение выходного напряжения в 1,5 ÷ 2 раза по сравнению со средней частотой. Значения частоты выбирают так, чтобы в соседних точках они отличались в 1,5 ÷ 2 раза. При обнаружении подъема частотной характеристики следует определить частоту и значение напряжения в точке максимума или провести в области подъема измерения в дополнительных точках.

По оси абсцисс обычно откладывается частота в логарифмическом масштабе. Это позволяет подробно исследовать частотные искажения не только на высоких, но и на низких частотах. Кроме того, логарифмическая шкала учитывает переменный шаг изменения частоты при измерении АЧХ.

Типовая АЧХ усилителя приведена на рис. П2.2. В скобках по оси ординат указаны параметры сквозной АЧХ.

К (К*)

Рис. П2.2. Амплитудно-частотная характеристика

Если снимается не одна частотная характеристика, то для удобства сравнения характеристики обязательно совмещаются на средней частоте. Для этого все частотные характеристики нормируются, т. е. на каждой частоте рассчитывается относительный коэффициент усиления (см. формулы (1) и (2) на с. 8). Заметим, что отношение коэффициентов усиления можно заменить отношением

63

напряжений, поскольку входное напряжение (или ЭДС источника сигнала) на всех частотах поддерживается постоянным.

Далее все нормированные частотные характеристики строятся на одном графике, что позволяет сравнивать частотные свойства различных вариантов схем.

Пример нормированных АЧХ показан на рис. П2.3. На рис. П2.2 и П2.3 граничные частоты (fн, fв) определены по характеристике при допустимых ко-

эффициентах частотных искажений Мн = Мв = 3 дБ (или в разах 2 ).

Y (Y*)

АЧХ 2

0,707

Рис. П2.3. Нормированные амплитудно-частотные характеристики

64

П3. Определение параметров усилителя по экспериментальным данным

Усилитель удобно рассматривать как активный четырехполюсник, изображенный на рис. П3.1, к которому со стороны входных зажимов подключен

источник сигнала, имеющий ЭДС Uист и внутреннее сопротивление Zист, со стороны выходных зажимов подключена нагрузка Zн.

Рис. П3.1. Усилитель как активный четырехполюсник

Свойства усилителя описываются переменными напряжениями и токами,

возникающими на его зажимах. Динамические параметры Zвх и Zвых позволяют входную и выходную цепь усилителя рассматривать независимо.

По-определению параметры усилителя описываются следующими выражениями.

Коэффициент усиления по напряжению:

65

Следует отметить, что на средних частотах комплексный характер сопротивления можно не учитывать.

Входное сопротивление усилителя:

Коэффициенты усиления можно выразить в логарифмических величинах – децибелах:

К, дБ = 20 lg К,

КТ, дБ = 20 lg КТ

К* (КЕ), дБ = 20 lg К* (КЕ),

КМ, дБ = 10 lg КМ. (П3.7)

При экспериментальном определении параметров усилителя, в соответ-

ствии со схемой измерений, приведенной на рис. 1.1, на средней частоте изме-

ряют напряжения Uвх, Uист и Uвых при разных нагрузках.

При известном Rист (из схемы на рис. 1.2) сопротивление Rвх определяют по формуле:

66

П4. Описание интегральной микросхемы К140УД1Б

Линейная ИМС К140УД1Б имеет следующие паспортные данные. Назначение – операционный усилитель.

Напряжение источников питания Ев = ± 12,6 В. Потребляемый ток – не более 8,0 мА. Коэффициент усиления от 1300 до 12000. Входной ток – не более 12 мкА.

Разность входных токов – не более 3 мкА. Напряжение смещения нуля ±10 мВ.

Микросхема изготовляется по планарно-эпитаксиальной технологии на основе кристалла кремния со «скрытым слоем» в коллекторе. На кристалле кремния площадью 2 мм2 создают 9 n-p-n транзисторов (структур) и 12 резисторов. Микросхема заключена в металлический корпус, имеющий 12 выводов.

Назначение выводов: 1 – питание – Е0, 2, 3, 12 – контрольные,

4 – общий для входной и выходной цепи,

5 – выход,

7 – питание Е0,

9 – вход инвертирующий,

10 – вход неинвертирующий.

Принципиальная схема КЕ40УД1Б приведена на рис. П.4.1.

Первый каскад выполнен на транзисторах VТ1 и VТ2 по дифференциальной схеме, вход и выход которой симметричны. Величина тока покоя первого каскада задается генератором стабильного тока (ГСТ), который выполнен на транзисторе VТЗ, термостабилизированный транзистором VТ6, включенным диодом.

Второй каскад выполнен на транзисторах VТ4 и VТ5 также по дифференциальной схеме с несимметричным выходом. Для улучшения симметричности усилителя по входам 1 и 2 в нем применена ООС по синфазной составляющей с эмиттеров второго каскада на базу токозадающего транзистора VТЗ.

Выходная часть схемы состоит из двух каскадов, которые выполнены на транзисторах VТ7 и VТ9, включенных по схеме с общим коллектором. Транзистор VТ8 является динамической нагрузкой в эмиттерной цепи транзистор VТ7, что позволяет получить от каскада большее усиление и облегчить задание режима покоя в этом каскаде.

Контрольные точки 2, 3, 12 могут быть использованы для подключения цепей, корректирующих частотно-фазовую характеристику усилителя с целью предотвращения самовозбуждения.

67

Рис. П.4.1. Принципиальная схема усилителя на ИМС К140УД1Б

68

П5. построение выходных динамических характеристик

П5.1. Построение выходной динамической характеристики (нагрузочной прямой) для постоянного тока

Рассмотрим построение нагрузочной прямой постоянного тока на примере транзисторного каскада с ЭС режима работы (рис. П5.1).

Постоянная составляющая коллекторного тока транзистора протекает от плюса к минусу источника питания через сопротивление Rк, участок коллек-

тор-эмиттер транзистора и сопротивление Rэ. Обычно внутреннее сопротивление источника коллекторного питания мало по сравнению с сопротивлением питаемой цепи и им можно пренебречь.

Сопротивление RН= = (Rк + Rэ)является сопротивлением нагрузки для транзистора по постоянному току.

Для построения нагрузочной прямой постоянного тока (выходной динамической характеристики) на семействе выходных статических характеристик усилительного элемента (рис. П5.3) для выбранного способа включения находят две точки, удовлетворяющие уравнению (П5.1)

а)iк = 0; uк = Еп;

Проведенная через две точки прямая 1 является нагрузочной прямой постоянного тока. Отношение отрезка Еп к отрезку i к, равно сопротивлению нагрузки постоянному току.

69

Точка покоя всегда располагается на нагрузочной прямой для постоянного тока. Ее положение на прямой определяется значением тока смещения iб0. Координаты точки покоя определяют режим работы, т. е. ток iк0 и напряжение uкэ0.

П5.2. Построение выходной динамической характеристики (нагрузочной прямой) для переменного тока

Выходная динамическая характеристика по переменному току строится для диапазона средних частот, на которых влиянием реактивных элементов

схемы можно пренебречь. Сопротивления емкостей Ср и Сэ, как и внутреннее сопротивление источника питания близко к нулю.

Источником выходного переменного тока в схеме является усилительный элемент (выходная цепь транзистора). Ток проходит от коллектора к эмиттеру

по двум параллельным ветвям, встречая в одной ветви сопротивление Rк, а в другой – Rн (рис. П5.2).

Еп

Rн

Рис. П5.2. Схема резисторного каскада с эмиттерной стабилизацией (пунктиром показаны пути протекания выходного переменного тока)

Следовательно, сопротивление нагрузки транзистора переменному току в резисторном каскаде равно:

В резисторном каскаде Rн~ < Rн= нагрузочная прямая для переменного

тока проходит через точку покоя. Ее наклон определяется величиной Rн~. Для построения нагрузочной прямой для переменного тока дополнительно находят

точку с координатами: u к = uкэ0 + iк0 Rн~; i к = 0.

Найденное значение u к откладывают на оси напряжений. Динамическая характеристика проходит через эту точку и точку покоя.

70