Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634655)
Контекстум
.

Исследование каскадов усиления электрических сигналов на биполярном транзисторе. Часть 1 (110,00 руб.)

0   0
АвторыЗахаров Александр Викторович, Зюльков Александр Владимирович
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц42
ID747929
АннотацияУчебно-методическое пособие подготовлено на кафедре радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета.
Кому рекомендованоРекомендуется для студентов 3-го курса очной формы обучения и 4-го курса очно-заочной формы обучения.
Исследование каскадов усиления электрических сигналов на биполярном транзисторе. Часть 1 / А.В. Захаров, А.В. Зюльков .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2019 .— 42 с. — 42 с. — URL: https://rucont.ru/efd/747929 (дата обращения: 23.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Исследование_каскадов_усиления_электрических_сигналов_на_биполярном_транзисторе._Часть_1.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.В. Захаров, А.В. Зюльков ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ Часть I Учебно-методическое пособие для вузов Воронеж Издательский дом ВГУ 2014
Стр.1
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК Усилитель электрических сигналов можно рассматривать как активный четырехполюсник. Четырехполюсник – это электрическая цепь, имеющая две входные клеммы (клеммы 1, 2 на рис. 1) и две выходные клеммы (клеммы 3, 4). Активный четырехполюсник – это четырехполюсник, содержащий активные усилительные элементы (электронные лампы, транзисторы, операционные усилители и т.п.) и собственные источники электрической энергии (источники ЭДС и тока). Активный четырехполюсник обладает свойством усиливать электрические сигналы. Вход усилителя. Ко IВХ ~ eИ(t) RИ Источник сигнала (t) 1 UВХ (t) 2 IВЫХ 3 Усилитель UВЫХ 4 (t) RН Нагрузка Рис. 1. Схема подключения усилителя (t) входу усилителя (клеммы 1 и 2 на рис. 1) подключается источник сигнала. Этот источник согласно рис. 1 можно представить в виде последовательно соединенных источника ЭДС eИ(t) с нулевым выходным сопротивлением и сопротивления RИ, которое равно внутреннему (выходному) сопротивлению источника сигнала. При RИ = 0 источник сигнала является идеальным источником напряжения, а при RИ = ∞ – идеальным источником тока. Для реальных источников сигнала имеем 0 < RИ < ∞ . Внутреннее сопротивление RИ источника сигнала, используемого в лабораторной работе, достаточно мало (десятки-сотни ом), поэтому свойства этого источника близки к свойствам источника напряжения. Под действием ЭДС eИ(t) на вход усилителя протекает ток IВХ(t), изменяющийся в соответствии с этой ЭДС и называемый входным током. При протекании тока IВХ(t) на входе усилителя (между клеммами 1 и 2) возникает падение напряжения UВХ(t), называемое входным напряжением. Усиливаемым сигналом может быть как входное напряжение UВХ(t) , так и входной ток IВХ(t) усилителя. Выход усилителя. К выходу усилителя (клеммы 3 и 4 на рис. 1) подключают нагрузку с некоторым сопротивлением RН. В качестве нагрузки обычно выступает радиоэлектронное устройство, являющееся потребителем выходного сигнала усилителя. В этом случае сопротивление нагрузки RН равно входному сопротивлению этого устройства. 3
Стр.3
частотой f = ω/2π. Тогда входной ток IВХ(t) и входное напряжение UВХ(t) усилителя также являются гармоническими и определяются выражениями IВХ(t) = ImВХ sin(ωt + φIВХ ), UВХ(t) = UmВХ sin(ωt + φUВХ ). (1) Здесь ImВХ и UmВХ – амплитуды, а φIВХ и φUВХ – начальные фазы входного тока и входного напряжения усилителя. Считаем, что усилитель работает в линейном режиме. Тогда выходной ток IВЫХ(t) и выходное напряжение UВЫХ(t) усилителя, возникающие под действием входного напряжения UВХ(t) и входного тока IВХ(t) (1), также являются гармоническими сигналами с той же частотой f = ω/2π: IВЫХ(t) = IВЫХ0 + iВЫХ(t) = IВЫХ0 + ImВЫХ sin(ωt + φIВЫХ ), UВЫХ(t) = UВЫХ0 + uВЫХ(t) = UВЫХ0 + UmВЫХ sin(ωt + φUВЫХ). (2) Здесь IВЫХ0, UВЫХ0 – постоянные составляющие тока и напряжения на выходе усилителя, iВЫХ (t) = ImВЫХ sin(ωt + φIВЫХ ), uВЫХ (t) = UmВЫХ sin(ωt + φUВЫХ ) – (3) переменные гармонические составляющие выходного тока и выходного напряжения усилителя, где ImВЫХ, UmВЫХ – амплитуды, а φIВЫХ, φUВЫХ – начальные фазы этих составляющих. В общем случае имеем ImВЫХ ≠ ImВХ, UmВЫХ ≠ UmВХ, φIВЫХ ≠ φIВХ, φUВЫХ ≠ φUВХ. 2.1. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики Пусть на вход усилителя поступает гармоническое напряжение UВХ(t) рактеристику (КЧХ) K (U ωj UВХ =  UmВХ exp(jφUВХ), UВЫХ = UmВЫХ exp(jφUВЫХ) ) усилителя по напряжению. Обозначим  лителя по напряжению, как функция частоты ω, задается в виде отношения K ( ω ) U (ω) / U (ω )ВХ  комплексных амплитуд  UВЫХ =  ВЫХU ( )ω и UВХ =  ВХU (ω ) (4) выходного и U j =  ВЫХ входного гармонических напряжений. Комплексная частотная характеристика (5) в общем случае является комплексной функцией частоты ω. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) K(f) = KU(2πf) определяется как модуль КЧХ (5), т.е. KU(ω) = |K U(jω)|. Согласно (4), (5) АЧХ усилителя KU(ω), как функция частоты ω, определяется как отношение 6  (1) с частотой f = ω/2π. Тогда с выхода усилителя снимается напряжение UВЫХ(t) (2) с гармонической переменной составляющей uВЫХ (t) (3), имеющей ту же частоту f. Введем в рассмотрение комплексную частотную ха(4) – комплексные амплитуды входного (1) и выходного (3) гармонических напряжений с частотой ω = 2π f, а j = − 1 – мнимая единица. Тогда КЧХ уси(5)
Стр.6
KU(ω) = UmВЫХ (ω) / UmВХ (ω) (6) амплитуд UmВЫХ = UmВЫХ(ω) и UmВХ = UmВХ(ω) выходного и входного гармонических напряжений усилителя. Амплитудно-частотная характеристика (6) является действительной функцией частоты ω. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) усилителя φ(f) = φU(2πf) опφU(ω) = φUВЫХ (ω) – φUВХ (ω) (7) фаз φUВЫХ = φUВЫХ(ω) и φUВХ = φUВХ(ω) выходного и входного гармонических напряжений усилителя. Фазочастотная характеристика (7) является действительной функцией частоты ω. Замечание. Характеристики KU(ω) (6) и φU(ω) (7) записаны как функции циклической частоты ω. Однако их можно рассматривать как функции K(f) = КU(2π f) и φ(f) = φU(2π f) линейной частоты f = ω/2π входного сигнала усилителя. Это удобно при экспериментальных исследованиях, так как именно линейная частота f задается и измеряется электронными приборами. Инвертирующий и неинвертирующий усилители. Усилитель называется неинвертирующим, если в полосе частот усиливаемого сигнала ФЧХ усилителя удовлетворяет условию φU(ω) = 0. Если же в полосе частот усиливаемого сигнала выполняется условие φU(ω) = π, то усилитель называется инвертирующим. В инвертирующем усилителе полярность усиливаемого сигнала изменяется на противоположную. Для инвертирующего и неинвертирующего линейных усилителей АЧХ (6) можно определить как отношение K0U K0U 2 0 0 0 0 fН fB Рис. 3. Примеры АЧХ и ФЧХ широкополосного неинвертирующего усилителя 7 f A РПЧ fН ϕ(f) = ϕU(2πf) f0 fB f б C КУ B а КU(ω) = ± uВЫХ(t´) / uВХ(t´) |ω, (8) где uВХ(t) = UВХ(t) – гармоническое входное напряжение (1), uВЫХ(t) = UВЫХ(t) – UВЫХ0 – гармоническая составляющая (3) выходного напряжения, t´ – произвольный момент времени, для которого uВХ(t´) ≠ 0, а знак |ω указывает, что входное и выходное напряжения усилителя имеют частоту ω. Знак “+” в формуле (8) соответствует неинвертирующему, а знак “–” – инвертирующему усилителю. Примеры АЧХ K(f) = = КU(2πf) и ФЧХ φ(f) = φU(2πf) ределяется как фаза КЧХ (5), т.е. φU(ω) = arg K U(jω). Согласно (4), (5) ФЧХ усилителя φU(ω), как функция частоты ω, определяется как разность
Стр.7
неинвертирующего широкополосного усилителя напряжения показан на рис. 3. Из рисунка 3 видно, что АЧХ такого усилителя практически постоянна и приближенно равна своему максимальному значению К0U = max К(f) в пределах широкой полосы частот f ∈ [fН; fВ]. В данной полосе частот ФЧХ усилителя также практически постоянна и мало отличается от нуля. За пределами интервала [fН ; fВ] АЧХ усилителя уменьшается до нуля, а ФЧХ усилителя меняется с изменением частоты и может быть существенно отлична от нуля. Смысл АЧХ и ФЧХ. Согласно (6) АЧХ усилителя KU(ω) показывает, во сколько раз амплитуда выходного гармонического напряжения UВЫХ(t) (2) больше, чем амплитуда входного гармонического напряжения UВХ(t) (1) при частоте входного напряжения, равной ω = 2π f. Согласно (7) ФЧХ φU(ω) усилителя показывает, насколько фаза φUВЫХ выходного гармонического напряжения UВЫХ(t) отличается от фазы φUВХ входного гармонического напряжения UВХ(t) при частоте входного напряжения, равной ω = 2π f . 2.2. Рабочая полоса частот, нижняя и верхняя граничные частоты усиления Рабочей полосой частот (РПЧ) усилителя называется интервал частот [fН; fВ] входного гармонического сигнала, в пределах которого АЧХ усилителя K(f) = КU(2πf) меняется от своего максимального значения К0U (в середине этого интервала) до значения K / 2 0.707K0 U на нижней f = fН 0U ≈ и верхней f = fВ границах интервала (рис. 3а). Минимальная частота fН рабочей полосы частот усилителя называется нижней граничной частотой усиления. Максимальная частота fВ рабочей полосы частот называется верхней граничной частотой усиления. На частотах fН и fВ АЧХ усилителя уменьшается в 2 0. 707≈ раз по сравнению со своим максимальным значением (см. рис. 3а). В пределах рабочей полосы частот [fН ; fВ] усилитель хорошо усиливает электрические сигналы. За пределами рабочей полосы частот АЧХ усилителя резко уменьшается и его усилительные свойства ухудшаются. Метод определения РПЧ усилителя по графику АЧХ K(f) = КU(2πf) иллюстрирует рис. 3а. Для нахождения нижней fН и верхней fВ границ РПЧ усилителя необходимо вначале определить максимальное значение АЧХ К0U, которое достигается на некоторой средней частоте f0 (точка С на рис. 3а). Затем на графике АЧХ следует провести горизонтальную прямую на уровне K(f) = К0U/ 2 ≈ 0.707 К0U. Из точек пересечения этой прямой с графиком АЧХ K(f) (точки А и B на рис. 3а) следует опустить перпендикуляры на ось частот f. Координаты точек пересечения этих перпендикуляров с осью f являются нижней fН и верхней fВ граничными частотами усиления. 8
Стр.8
2.3. Коэффициенты усиления по напряжению и по току 2.3.1. Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по напряжению К0U – это максимальное значение АЧХ усилителя К0U = max КU(ω) для всех возможных частот ω. Как видно из рис. 3а, это значение достигается в пределах РПЧ усилителя [fН ; fВ] на некоторой “средней” частоте f = f0. При этом АЧХ усилителя мало меняется в пределах РПЧ усилителя. Поэтому коэффициент усиления К0U характеризует усиление по напряжению в рабочей полосе частот усилителя. Используя (6), получаем, что коэффициент усиления по напряжению К0U = max [UmВЫХ(ω) / UmВХ(ω)] = UmВЫХ(ω0) / UmВХ(ω0), (9) где UmВЫХ = UmВЫХ(ω) – амплитуда гармонической составляющей uВЫХ(t) (3) выходного напряжения усилителя на частоте ω, UmВХ = UmВХ(ω) – амплитуда соответствующего входного гармонического напряжения UВХ(t) (1) с частотой ω, а ω0 = 2π f0 – частота максимума АЧХ усилителя. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению К0U равен отношению амплитуд UmВЫХ и UmВХ выходного и входного напряжений усилителя на частоте ω0 = 2π f0 максимума АЧХ усилителя. Замечание. АЧХ широкополосного усилителя обычно мало меняется в пределах РПЧ [fН ; fВ] (не более, чем в 2 раз). Поэтому на практике в качестве частоты f = f0 при определении коэффициента усиления (9) можно выбирать некоторую частоту из середины РПЧ усилителя 1. Это не приводит к большой ошибке в определении коэффициента усиления К0U. Согласно (8) коэффициент усиления К0U для инвертирующего или неинвертирующего линейного усилителя можно рассчитать как К0U = ±uВЫХ(t´) / uВХ(t´) ω = 2 0fπ , (10) где uВЫХ(t) = UВЫХ(t) – UВЫХ0 – переменная (гармоническая) составляющая (3) выходного напряжения усилителя, uВХ(t) = UВХ (t) – соответствующее гармоническое входное напряжение усилителя (1), t´ – момент времени, для которого uВХ(t´) ≠ 0, а знак |ω = 2πf указывает, что входное и выходное напряжения усилителя имеют частоту ω = 2πf . Знак “+” в формуле (10) соответствует неинвертирующему усилителю, а знак “–” – инвертирующему. 2.3.2. Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по току определяется как 1 В данной работе при исследовании широкополосных усилителей в качестве часто9 ты f0 выбирается частота f = 1 кГц, расположенная в середине рабочей полосы частот исследуемых усилителей.
Стр.9
К0I = ImВЫХ(ω0) / ImВХ(ω0) , (11) где ImВХ = ImВХ(ω) и ImВЫХ = ImВЫХ(ω) – амплитуды гармонических составляющих выходного (1) и входного (2) токов усилителя, имеющих частоту ω = 2πf , а ω0 = 2π f0 – частота максимума АЧХ усилителя (см. ссылку 1). Таким образом, коэффициент усиления по току К0I равен отношению 2.4. Входное и выходное сопротивления по переменному току Под действием источника входного сигнала (рис. 1) на входе усилителя протекает входной ток IВХ(t), а на входных клеммах усилителя (клеммы 1, 2 на рис. 1) возникает входное напряжение UВХ(t). При этом на выходных клеммах усилителя появляется выходное напряжение UВЫХ(t), а через нагрузку усилителя протекает выходной ток IВЫХ(t) (рис. 1). При рассмотрении переменных составляющих входных и выходных токов (напряжений) линейный усилитель можно представить в виде одной из эквивалентных схем, показанных на рис. 4. Используя эти схемы, рассмотрим определения входного и выходного сопротивлений усилителя по переменному току. iВХ(t) 1 uВХ(t) 2 RВХ ~eВ(t) RВЫХ Усилитель a iВЫХ (t) 3 uВЫХ(t) 4 iВХ(t) 1 uВХ(t) 2 RВХ RВЫХ Усилитель б Рис. 4. Эквивалентные схемы линейного усилителя 2.4.1. Входное сопротивление Пусть на входе усилителя протекает переменный ток IiВХ(t). При этом на входных клеммах усилителя (клеммы 1, 2 на рис. 4) возникает переменное входное напряжение uВХ(t). При рассмотрении входного тока iВХ(t) и входного напряжения uВХ(t) линейный усилитель эквивалентен некоторому сопротивлению RВХ, включенному между клеммами 1 и 2 (рис. 4). Это сопротивление называется входным сопротивлением усилителя по переменному току. Входное сопротивление RВХ устанавливает связь между переменными входным током iВХ(t) и входным напряжением uВХ(t) усилителя. 10 4 iВ(t) iВЫХ(t) 3 uВЫХ(t) амплитуд ImВЫХ и ImВХ выходного и входного токов усилителя на частоте ω0 = 2π f0 максимума АЧХ усилителя.
Стр.10

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически
.