Изучение работы электронного усилителя

Лабораторная работа № 12

Приборы и принадлежности: усилительный каскад напряжения УКН, генератор сигналов ГЗ-33, электронный осциллограф типа ОДШ-2, выпрямитель универсальный полупроводниковый ВУП-2М, вольтметр ламповый ВЗ-13, соединительные провода.

Цель работы: изучение принципа действия лампового усилителя и определение его основных параметров.

Очень часто приходится иметь дело со слабыми электрическими колебаниями, которые можно обнаружить и зарегистрировать только после предварительного увеличения их амплитуды.

Устройство, служащее для усиления электрических сигналов за счет энергии постороннего источника, называется усилителем электрических сигналов или электронным усилителем. Как основной элемент усилители входят в схемы многих электронных приборов и аппаратов, используемых в медицине. Широкое применение при диагностике заболеваний сердца получили усилители напряжения, позволяющие усиливать и регистрировать биопотенциалы сердца, головного мозга и периферических нервных стволов и мышц. Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления К, показывающий во сколько раз напряжение U_вых, получаемое на выходе, больше напряжения U_вх, подаваемого на его вход:

(1)

При больших усилениях несколько усилительных элементов соединяются последовательно и каждый из них становится только одной ступенью или каскадом. Для многокаскадных усилителей полное усиление равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Главным элементом усилительного каскада является ламповый триод или полупроводниковый триод-транзистор, позволяющие регулировать величину тока в цепи постороннего источника тока в соответствии с интенсивностью усиливаемого сигнала.

Рассмотрим более подробно работу электронного лампового усилителя. Ток в триоде зависит как от анодного напряжения, так и от напряжения на сетке, причем, так как сетка располагается к катоду ближе, чем анод, то изменение ее потенциала оказывает на анодный ток значительно большее влияние, чем изменение анодного напряжения. Зависимость анодного тока I_а от напряжения на сетке U_с при постоянном анодном напряжении (и при постоянном напряжении накала) называется анодно-сеточной характеристикой лампы. Эта характеристика, полученная опытным путем, приведена на рис. 1.

По оси ординат откладывается анодный ток I_а, по оси абсцисс — напряжение между сеткой и катодом (сеточное напряжение) .

При сеточном напряжении, равном нулю, анодный ток равен току покоя лампы I_ас, обусловленному действием только анодного напряжения.

При отрицательных значениях сеточного напряжения анодный ток постепенно уменьшается и при некоторой величине потенциала сетки лампа запирается (точка D).

При положительных значениях сеточного напряжения анодный ток постепенно увеличивается, достигая тока насыщения I_н, который обусловлен максимальной эмиссией электронов при данном токе накала.

В средней части (между точками А и В) характеристика имеет линейный характер — это ее рабочая часть, в которой изменение анодного тока прямо пропорционально изменению потенциала на сетке.

Точка С — пересечение этой части характеристики с осью ординат, для которой U_c=0, является рабочей точкой характеристики. Относительно этой точки и рассматриваются колебания напряжения, поданного на вход (сетка-катод) триода.

Тангенс угла a наклона прямолинейной части анодно-сеточной характеристики называется крутизной характеристики. Крутизна S характеристики численно равна отношению приращения анодного тока DI_a к соответствующему приращению сеточного напряжения DU_c при постоянном анодном напряжении:

(2)

Принцип усиления можно объяснить с помощью схемы, показанной на рис. 2. К источнику постоянного напряжения U включается последовательно лампа Л и так называемое нагрузочное сопротивление R_a. На сетку лампы подается переменное напряжение U_вх, которое подлежит усилению. При работе лампы колебания напряжения U_вх на сетке вызывают аналогичные по форме колебания анодного тока I_а.

График анодного тока в зависимости от времени можно построить, пользуясь анодно-сеточной характеристикой лампы (рис. 3).

Рис. 2

Для этого на графике анодно-сеточной характеристики строят график напряжения U_вх поданного на сетку таким образом, чтобы ось времени t совпадала с отрицательным направлением оси ординат характеристики. График анодного тока в зависимости от времени строят справа таким образом, чтобы ось времени совпадала с положительным направлением оси абсцисс характеристики, сохраняя одинаковый масштаб времени с графиком напряжения на сетке. Анодный ток в любой момент времени находят по анодно-сеточной характеристике, как это показано на рис.3 для амплитудных значений напряжения. Как видно из графика, анодный ток I_а имеет пульсирующий характер, причем пульсации тока совпадают с колебаниями напряжения на сетке.

Анодный ток I_а создает на нагрузочном сопротивлении R_а подобное ему по форме пульсирующее напряжение U_R = I_aR_a, которое может рассматриваться как состоящее из постоянной U_RO и переменной U_RП составляющих. Переменную U_RП можно выделить с помощью разделительного конденсатора С_р (рис. 2). Выделенное выходное напряжение U_вых на сопротивлении R_в по форме подобно входному напряжению U_вх, но значительно превышает его по амплитуде. Оно и представляет усиленное выходное напряжение. Коэффициент усиления К можно определить также как отношение изменения напряжения DU_R на нагрузочном сопротивлении R_а за достаточно малый промежуток времени Dt к соответствующему изменению напряжения DU_c на сетке:

_.

Так как по закону Ома DU_R = DI_aR_a, то получим:

(3)

Из выражения (3) следует, что коэффициент усиления лампы увеличивается с увеличением нагрузочного сопротивления R_a и крутизны S характеристики.

В усилителе лампа включена к источнику питания последовательно с нагрузочным сопротивлением R_a , поэтому в любой момент времени сумма напряжений U_R на анодной нагрузке и U_a на лампе должна равняться постоянному по величине напряжению U источника питания. Из этого следует, что с увеличением анодного тока напряжение на нагрузке R_a возрастает, а на лампе уменьшается на ту же величину. Таким образом, изменения напряжения на лампе равны по величине и противоположны по знаку изменениям напряжения на нагрузке. Усиленное выходное напряжение можно снять не только с анодной нагрузки (см. рис. 2), но и с лампы, поскольку переменные составляющие этих напряжений совершенно одинаковы.

На практике усиленное напряжение удобно снимать с лампы, так как в схемах усилителей катод обычно заземляется и выходное напряжение снимается между заземленной точкой и анодом лампы. Принципиальная схема усилительного каскада напряжения в этом случае имеет вид, приведенный на рис. 7.

В усилителях для регистрации биопотенциалов, когда зарегистрированная кривая может иметь решающее значение для диагностики заболевания, необходимо, чтобы форма усиленного напряжения точно соответствовала форме напряжения, поданного на сетку, т.е. чтобы усиление происходило без искажений. Основными искажениями при работе лампового усилителя являются амплитудные (нелинейные) и частотные (линейные) искажения. При положительных потенциалах на сетке лампы оседает некоторое количество электронов, создающих сеточный ток. Этот ток образует на внутреннем сопротивлении источника входного напряжения падение напряжения, которое уменьшает потенциал сетки, а следовательно, ослабляет анодный ток. В результате амплитуда усиленного напряжения при отрицательных полупериодах входного напряжения окажется больше, чем амплитуда при положительных полупериодах, то есть форма усиленного напряжения получит искажение. Для устранения сеточного тока лампу переводят в режим, при котором потенциал на сетке является все время отрицательным. Для этого на вход (сетка-катод) лампы подается дополнительное постоянное по величине отрицательное напряжение U_см, называемое напряжением смещения. Напряжение смещения создается цепью автоматического смещения, которая состоит из параллельно соединенных резисторов R_к и конденсора С_к и включается в катодную цепь усилителя (рис. 7). Постоянная составляющая анодного тока I_ао, проходя по резистору R_к, называемому резистором автоматического смещения, создает на нем падение напряжения. В результате этого катод приобретает положительный потенциал по отношению к заземленной точке 0, к которой присоединяется цепь сетки. Конденсатор С_к, шунтирующий резистор смещения, обеспечивает беспрепятственное пропускание переменной составляющей анодного тока, которая не участвует в создании напряжения смещения.

Между сеткой и катодом обычно включается сопротивление Rс (рис. 7), называемое сопротивлением утечки. При отсутствии этого сопротивления электроны, осевшие на сетке лампы, могут скопиться на ней и, образуя отрицательный заряд, закроют лампу.

При подаче на вход лампы напряжения смещения, рабочая точка С на анодно-сеточной характеристике лампы сдвигается по характеристике влево на величину напряжения смещения (точка С₁ на рис.4). Как видно из этого рисунка, точка С₁ располагается на небольшом удалении от нижнего загиба анодно-сеточной характеристики, что может привести к появлению нелинейных искажений при небольших амплитудах входного напряжения. Для того, чтобы сохранить условие работы лампы на прямолинейной части сеточной характеристики, соответственно повышают анодное напряжение до тех пор, пока ток покоя лампы не достигнет своего прежнего значения I_ао. В этом случае рабочей точкой становится точка С^/, при этом вся характеристика сдвигается влево и рабочая точка С^/ окажется в середине ее линейного участка (участок A^/B^/). Напряжение смещения по абсолютной величине должно быть больше максимальной амплитуды входного сигнала, так что усиливаемое напряжение, складываясь по величине с постоянным напряжением смещения, создает на сетке пульсирующее напряжение, которое остается все время отрицательным по отношению к катоду. Следовательно, лампа будет работать без сеточного тока.

Если работа усилителя происходит в пределах линейного участка анодно-сеточной характеристики, то форма кривой анодного тока, а следовательно, и выходного напряжения повторяет форму кривой входного напряжения. При неправильном выборе рабочей точки, а также при больших амплитудах входного напряжения, заходящих в область загибов анодно-сеточной характеристики лампы, происходит ограничение выходного сигнала (срезание верхушек синусоиды) и искажение его формы. Эти искажения называются нелинейными искажениями, так как они обусловлены нелинейностью сеточной характеристики. Нелинейные искажения можно рассматривать как появление на выходе усилителя новых частот (гармоник), которых не было во входном сигнале.

Если входной сигнал несинусоидальный, то он может быть разложен на отдельные гармонические составляющие, каждой из которых соответствует своя частота. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных частот может оказаться разным. В этом случае амплитуды усиленного напряжения будут находиться в ином соотношении, чем в спектре входного сигнала. В этом и заключаются линейные или частотные искажения.

Для оценки предельной амплитуды входного напряжения, начиная с которой возникают нелинейные искажения, строят амплитудную характеристику усилителя. Она определяется зависимостью U_вых = f(U_вх) на некоторой постоянной частоте (рис. 5).

В рабочем диапазоне амплитуд амплитудная характеристика прямолинейна (участок АВ), и тангенс угла ее наклона определяет величину коэффициента усиления на заданной частоте:

(4)

При входном напряжении, превышающем U_вх.max, лампа начинает работать на нелинейных участках сеточной характеристики, поэтому в амплитудной характеристике усилителя, начиная с точки В появляется загиб. Зависимость коэффициента усиления от частоты называется частотной характеристикой усилителя К = f(n) (рис. 6).

Из рис. 6 видно, что в пределах частот , коэффициент усиления примерно одинаков.

В радиотехнике принято, что уменьшение коэффициента усиления до 0,7К_max (n_о — частота, соответствующая К_max), практически не приводит к искажениям сигнала. Диапазон частот соответствующих 0,7К_max называют полосой пропускания усилителя.

В усилителях часто используется лампа с тремя сетками, которая называется пентодом. С помощью второй (экранирующей сетки) снижается паразитная емкость между анодом и первой (управляющей) сеткой, стабилизируется поле между катодом и анодом, увеличивается коэффициент усиления. С использованием третьей (защитной) сетки, которая соединяется с катодом и имеет отрицательный потенциал относительно анода, устраняется динатронный эффект, то есть она отталкивает вторичные электроны, выбитые первичными из анода и препятствует их движению к экранирующей сетке.

Дата добавления: 2014-01-04