Определение частотной и амплитудной характеристик, полосы частот, динамического диапазона усилителя

ЗАДАЧИ

1. Рассчитайте коэффициент усиления по напряжению усилителя, если при изменении входной амплитуды на 5 мВ, выходная амплитуда изменилась на 2 В.

2. Определите общий коэффициент усиления трёхкаскадного усилителя, если коэффициенты усиления его каскадов k₁=12?, K₂=4, k₃=10.

3. Селен – полупроводник. Какие примесные атомы следует использовать, чтобы превратить его в полупроводник n-типа? В полупроводник p-типа?

4. Вычислите коэффициент нелинейных искажений, если амплитуда основной гармоники Umax1 = 20В, а амплитуды двух новых гармоник 0, 5 и 0, 01В соответственно.

5. Определите коэффициент динамического усиления вакуумного триода, если изменение сеточного напряжения на 1В вызвало изменение напряжение в нагрузке на 15В.

Лабораторная работа №13

Определение частотной и амплитудной характеристик, полосы частот, динамического диапазона усилителя

Цель: Используя генератор сигналов низкочастотный Г3-124, электрокардиограф ЭК1К-01, осциллограф С8-19, научиться снимать амплитудную и частотную характеристики усилителя биоэлектрических сигналов.

Оборудование: генератор сигналов низкочастотный Г3-124, электрокардиограф ЭК1К-01, осциллограф С8-19.

Расчетные формулы:

Расчетная формула для определения коэффициента усиления усилителя по напряжению:

, (1)

где - амплитуда выходного сигнала, - амплитуда входного сигнала.

Ход работы:

1. Подготовка установки к работе.

Установка для снятия амплитудной и частотной характеристик усилителя электрокардиографа состоит из низкочастотного генератора сигналов Г3-124, электрокардиографа ЭК1К-01 и осциллографа С8-19. Переменное напряжение, вырабатываемое генератором, подается через аттенюатор на вход усилителя электрокардиографа, усиливается и поступает на осциллограф для измерения. Внешний вид установки приведен на рис.1. Перед включением аппаратов необходимо установить переключатели и регуляторы генератора сигналов Г3-124 в положения, приведенные в таблице1. Переключатели и регуляторы электрокардиографа установите в положения, приведенные в таблице 2.

Регулятором осциллографа можно смещать изображение вверх или вниз. Все кнопки осциллографа должны быть отжаты.

Таблица 1

№	переключатель	положение
	Диапазоны частот	2-2× 10³
	Время индикации
0.1S	Нажата
1S	отжата
	Время развертки
	< dB
	быстродействие	откл
	стоп	отжата
	пуск	нажата
	знак частотной отметки	отжата
	предел ниж верх	отжаты
	реверс вниз вверх	отжаты
	вых U	повернуть против часовой стрелки до упора
	вход компрессии	вых U
	режимы	SIN
	усреднение
	развертка частоты	ручная

Таблица 2

№	переключатель	положение
	скорость движения ленты	50/25 мм/сек (отжаты)
	чувствительность	5 mm/mV (нажата)
	переключатель отведений	I
	подавление помех нажать клавишу

Рис.1. Внешний вид установки

Снятие частотной характеристики усилителя электрокардиографа.

Для снятия частотной характеристики усилителя электрокардиографа установите на генераторе частоту 3Гц, выходное напряжение генератора 7В. Ослабление аттенюаторов прежнее -70dB. Если 7В ослабить на 70dB, то на вход усилителя поступит сигнал напряжением 2, 21мВ. Величина этого сигнала будет неизменна в каждом опыте. Амплитуда выходного сигнала зависит от частоты входного. Частоту входного сигнала будем изменять от 3Гц до 600Гц. Однако для регистрации осциллографом таких частот необходимо изменять время развертки осциллографа. Время развертки осциллографа для различных частот приведено в таблице №4.

Определите выходное напряжение и коэффициент усиления усилителя электрокардиографа для частот 3-600Гц и занесите данные в таблицу №4.

Постройте частотную характеристику усилителя электрокардиографа. Примерный вид частотной зависимости усилителя электрокардиографа приведен на рис.3. Поскольку отмечать по линейной оси частоты 3-600Гц неудобно (точки налезают друг на друга), будем пользоваться логарифмической шкалой. Отмечают на оси не 3Гц, а ln3 и т.д.

Рис.3. Частотная зависимость усилителя электрокардиографа

Таблица 4

№	n, Гц	lnn	U_вх, мВ	U_вых, мВ	k	время развертки осциллографа
		1, 1	2, 21			50 ms
		2, 1
		2, 7			10 ms
		3, 4
		5, 0			1 ms
		5, 7
		6, 4

Примечание.

Усилитель электрокардиографа должен без искажений усиливать сигналы с частотой 0 – 6 Гц. Так, частота в 1Гц соответствует 60 сокращениям сердца в минуту. Частота в 6Гц соответствует 360 сокращениям сердца в минуту. Частотную характеристику такого усилителя необходимо снимать, начиная с очень низких частот. Для этого необходимы специальные генераторы. Генератор Г3-124 не может вырабатывать столь низкочастотные сигналы и поэтому мы начинаем определять частотную характеристику с 3Гц.

Вопросы теории.

1.1. Усилители. Коэффициент усиления усилителя. Требования к усилителям. Многокаскадное усиление. Классификация усилителей.

1.2. Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные искажения. Предупреждение амплитудных искажений.

1.3. Частотная характеристика усилителя. Частотные искажения. Полоса пропускания усилителя. Предупреждение частотных искажений.

1.4. Ламповый усилитель.

1.5. Усилительный каскад на транзисторе.

1.6. Обратная связь в усилителях. Виды обратной связи.

1.7. Повторители. Назначение и типы повторителей.

1.8. Дифференциальный усилитель.

1.9. Контрольные вопросы.

Усилители. Коэффициент усиления усилителя. Требования к усилителям. Классификация усилителей.

Усилителями электрических сигналов или электронными усилителями называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии внешнего источника.

Усилители могут создаваться на основе различных элементов (транзисторы), однако в общих вопросах все усилители могут быть представлены достаточно едино. Они имеют вход, на который подается усиливаемый электрический сигнал, и выход, с которого снимается усиленный сигнал. Непременной частью всей системы является источник электрической энергии.

Наиболее распространенным принципом усиления сигнала является воздействие входной цепи на электрическое сопротивление выходной цепи. Это воздействие соответствует форме усиливаемого сигнала, и поэтому форма сигнала воспроизводится в выходной цепи.

Существенным требованием к усилителям является воспроизведение усиливаемого сигнала (усиление) без искажения его формы. На практике это требование выглядит как стремление усилить электрический сигнал с наименьшими искажениями.

Возможность усилителя увеличить поданный на его вход сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления. Он равен отношению приращения напряжения (силы тока, мощности) на выходе усилителя к вызвавшему его приращению напряжения (силы тока, мощности) на входе:

k_U = , k_I = , .

В зависимости от целей усилители различают по напряжению, силе тока или мощности. В дальнейшем, ради определенности, все иллюстрации и выводы будут относиться к коэффициенту усиления по напряжению, который будет обозначаться без индекса: k.

При усилении сигнала синусоидальной формы в выражениях обычно используют амплитуды входного и выходного сигналов:

k=U_{max вых}/ U_{max вх}.

Если k имеет значения, не достаточные для получения на выходе сигнала нужного напряжения, то соединяют несколько усилителей. Каждый отдельный усилитель при этом называют усилительным каскадом . Коэффициент усиления усилителя из нескольких каскадов равен произведению коэффициентов усиления всех используемых каскадов:

k_общ= k₁k₂k₃…

Ламповый усилитель.

Простейшим видом усилителя является ламповый усилительнапряжения с нагрузкой в виде резистора (резистивный усилитель), схема которого на триоде показана на рис.5.

Рис.5. Ламповый усилитель.

Малые колебания сеточного напряжения лампы вызывают значительные колебания анодного тока. Соединив анод лампы с резистором R_H нагрузки, можно получить значительные колебания падения напряжения на этом резисторе (этим и обусловливается название усилителя). В качестве нагрузки применяют также катушку индуктивности, трансформатор, колебательный контур и т.д.

Чтобы избежать нелинейных искажений, надо использовать пропорциональную зависимость между силой анодного тока и сеточным напряжением, т.е. линейный участок сеточной характеристики. Для этого, во-первых, нужно задать напряжение на сетке при отсутствии переменного сигнала. Это значение, называемое рабочей точкой усилителя, должно находиться примерно посередине линейного участка сеточной характеристики и, как правило, в области отрицательных значений напряжения сетки. Во-вторых, амплитуда усиливаемого сигнала должна удовлетворять тому условию, чтобы результирующее сеточное напряжение находилось в пределах линейного участка характеристики.

Для выбора рабочей точки в усилителе используют резистор R_К (рис.5).

Постоянная составляющая анодного тока создаст на нем постоянное падение напряжения. Так как падение напряжения на R_С незначительно, то потенциал сетки будет ниже потенциала катода на I_aR_к.

Таким образом, с помощью R_К осуществляют нужное смещение напряжения на сетке, поэтому его называют резистором смещения ( катодный резистор ).

Однако при таком включении сеточное смещение будет определяться и переменной составляющей анодного тока. Чтобы избежать этого, параллельно R_К подключают конденсатор С_К. Его сопротивление постоянному току бесконечно велико и в то же время можно так подобрать его значение, чтобы переменная составляющая анодного тока проходила через него практически беспрепятственно.

Конденсатор С_Р служит для того, чтобы на сетку лампы не поступала постоянная составляющая сигнала, так как это может повлиять на положение рабочей точки. Резистор R_С – резистор утечкислужит для предотвращения накапливания случайного заряда на сетке лампы.

Дифференциальный усилитель.

Для усиления биопотенциалов нужны усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу = 0. Усилители такого вида получили название усилителей постоянного тока независимо от того, усиливают они силу тока или напряжение (рис.9).

Анализируя возможности использования транзисторов в усилительных схемах, можно думать, что усиление медленно изменяющихся сигналов и сигналов постоянного тока не отличается от усиления переменного сигнала. В самом деле, объяснение физических основ работы транзисторов как усилителей возможно было дать и для постоянного тока. Однако при наличии отрицательной обратной связи такие схемы, как изображенная на рис.6, имели бы невысокий коэффициент усиления, и использовать один каскад было бы затруднительно. Приходится использовать ряд каскадов, а это вносит особые сложности при усилении медленно изменяющихся сигналов. Причина в том, что в усилителе постоянного тока каскады должны быть соединены без использования реактивных элементов (конденсаторы, трансформаторы), которые не выполняют своих функций на постоянном токе. Соединение должно быть осуществлено проводниками – гальваническая связь. Однако при такой связи медленные, случайные изменения напряжения или силы тока на выходе каскада (дрейф) будут усиливаться последующими каскадами, что приведет к искажению информации.

Рис.9. Дифференциальные усилители (усилители постоянного тока).

Причиной дрейфа может быть старение элементов усилителя, влияние температуры, нестабильность напряжения источников питания и др. Таким образом, при прямом усилении необходимо стремиться уменьшить дрейф в каждом каскаде и прежде всего во входном.