Исследование основных технических показателей усилительного каскада: Методические указания к лабораторной работе по курсам "Электронные устройства роботов" и "Электронные устройства в мехатронике"

Московский государственный технический университет

имени. Н.Э. Баумана

________________________________________________________________

,

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Методические указания к лабораторной работе по курсам

“Электронные устройства роботов”

“Электронные устройства в мехатронике”

Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

Московский государственный технический университет

имени. Н.Э. Баумана

________________________________________________________________

,

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Методические указания к лабораторной работе по курсам

“Электронные устройства роботов”

“Электронные устройства в мехатронике”

Издательство CМ-7 МГТУ имени Н.Э. Баумана 2010 г

1.  ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

В процессе выполнения лабораторной работы студенты знакомятся с основными техническими показателями усилительных устройств и с методами их экспериментального определения.

2.  КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Основные технические показатели условно можно разделить на группу эксплуатационных и группу качественных технических показателей.

2.1.  Эксплуатационные технические показатели.

2.1.1. Коэффициенты усиления.

-  K_U - коэффициент усиления по напряжению;         K_U =U_вых / U_вх

Кроме обычной формы представления коэффициента усиления существует также логарифмическая форма   K_U [ дБ ] = 20 lg K_U;

-  K_i - коэффициент усиления по току;     K_i = I_вых / I_вх;

При экспериментальных исследованиях усилительных устройств наибольшее распространение получили следующие основные технические показатели:

K_i[дБ]-  коэффициент усиления по току в децибелах;

K_i[дБ]= 20 lg K_i

Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с наличием в составе усилителей реактивных элементов.

-  K_p -  коэффициент усиления по мощности;  K_p = P_вых / P_вх

K_p [дБ]  - коэффициент усиления по мощности в децибелах;

K_p [дБ] = 10 lg K_p

2.1.2 Параметры выходной цепи.

(Pвых,Rвых,Uвых,Iвых)

2.1.3. Параметры входной цепи.

(Pвх,Rвх , Uвх, Iвх )

2.1.4. КПД усилителя η = P_н / P_пот , гдеP_н -    мощность, выдаваемая в нагрузку; P_пот  -  мощность, потребляемая усилителем.                                                             

2.1.5. Надежность - свойство изделия сохранять свои характеристики в заданных пределах при определенных условиях эксплуатации.

2.2. Качественные технические показатели.

2.2.1. Амплитудная характеристика  (характеристика  "выход – вход") - это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного  U_вых = f(U_вх).

Вид амплитудной характеристики зависит от типа усилителя.

Для усилителя переменного тока амплитудная характеристика обычно изображается в 1 квадранте и в общем случае имеет (рис. 1) зону шумов, линейную зону, нелинейную зону  и зону насыщения.

Шумы:

1.  Шумы - типы наводок вызваны действием электрических или электромагнитных колебаний.

2.  Фоновые шумы. Фон - сигнал с частотой питающей сети или кратной ей.

Эти помехи вызваны неидеальностью источника питания.

3.  Шумы  термические, зависящие от температуры. Термическими шумами обладают резисторы, термические элементы.

4.  Шумы усилительных элементов.

5.  Шумы микрофонного эффекта.

Для усилителей с невысоким коэффициентом усиления (≤100) зоной шумов обычно пренебрегают. Линейная область в этом случае лежит от U_вх = 0 доU_вхmax.

При U_вх  >  U_вхmax   в усилителе возникают так называемые нелинейные искажения или искажения формы сигнала. В составе выходного сигнала при нелинейных искажениях присутствует сигнал с основной частотой (основной сигнал - сигнал первой гармоники) и сигналы высших гармоник, которые представляют собой составляющие с частотами кратными основной частоте (сигналы высших гармоник).

Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник K_г), который представляет собой отношение суммарной мощности сигналов высших гармоник и мощности первой (основной) гармоники.

Зона насыщения на входной характеристике обычно не изображается.

Рис.1 Динамический диапазон.

U выхmax

Д ус = U выхmin

U_{вых max}и U_{вых min} -  напряжения, которые усиливается без нелинейных искажений.

Uвых min  = 10 Uш,Дивс < Дус

Д_ивс – динамический диапазон источника входного сигнала. Он  должен перекрываться  Д_ус.

ОбычноД_ус = 100...1000  (40...60 дБ).

Для усилителя постоянного тока амплитудная характеристика (рис.2) изображается полностью от области насыщения для U_вых < 0 до области насыщения для U_вых > 0.

Рис. 2

2.2.2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость K_U от частоты f, K_U = F (f). Зависимость K_U  от f  определяется наличием в составе усилителя реактивных элементов (емкость, индуктивность).

Для усилителя переменного тока характерен  вид характеристики, изображённый на рис. 3.

Здесь   K_{U о}  -  коэффициент усиления для области средних частот. Область средних частот - область, в которой можно пренебречь действием реактивных элементов.