Моделювання та дослідження підсилювача – МАНЛаб


Моделювання та дослідження підсилювача

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною лабораторної роботи.
  2. Змоделювати підсилювач.
  3. Визначити його характеристики в межах звукових частот.

Обладнання:

ПК з програмами Multisim 11.0 та Excel.

Теоретична частина

Підсилювачем називається пристрій, призначений для збільшення рівня електричного сигналу за рахунок енергії джерела живлення. Підсилювачі використовують, зокрема, для збільшення акустичного сигналу (акустичні підсилювачі).

Для збільшення сигналу в підсилювачах використовують транзистори або електронні лампи. Підсилювальні властивості транзистора пов’язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. У такий спосіб малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.

Схема простого підсилювача змінного струму на одному транзисторі представлена на рисунку 1.

Рис. 1. Схема підсилювача

У цьому підсилювачі транзистор увімкнено за схемою з загальним емітером. Такий підсилювач називається резистивним підсилювачем з ємнісним зв’язком. Назва схеми пов’язана з характером опору навантаження (резистор Rк), ємнісним зв’язком з джерелом сигналу (конденсатор Свх) та навантаженням наступного каскаду (конденсатор Свих).

Резистори Rб1, Rб2, Rк та Rе визначають робочу точку транзистора VT1. Робоча точка транзистора – це точка на його робочій характеристиці, яка відповідає лінійній залежності зміни рівня вихідного сигналу від рівня вхідного сигналу. Резистори Rб1 та Rб2 визначають напругу зміщення бази. Резистори Rк та Rе призначені для обмеження струму через транзистор VT1 до його номінального значення. Резистор Rе визначає напругу емітера та стабілізує робочу точку транзистора.

Основним параметром, що характеризує підсилювач, є його коефіцієнт підсилення. Це відношення амплітуди вихідного сигналу до амплітуди вхідного сигналу:

(1)

Для схеми, представленої на рисунку 1, коефіцієнт підсилення визначається за формулою:

(2)

Формулу (2) використовують для розрахункового визначення коефіцієнту підсилення. Для практичного визначення коефіцієнту підсилення використовують формулу (1). При цьому амплітуди вхідного та вихідного сигналів визначають за допомогою осцилографа. На практиці розрахункове значення коефіцієнта підсилення не завжди збігається з його реальним значенням. Реальне значення коефіцієнта підсилення залежить від багатьох факторів, зокрема від частоти вхідного сигналу.

Залежність коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу називається амплітудно-частотною характеристикою підсилювача, яка є його основною характеристикою та визначає його якість.

У лабораторній роботі пропонується змоделювати підсилювач за схемою, представленою на рисунку 1, визначити його коефіцієнт підсилення при різних частотах вхідного сигналу (у звуковому діапазоні) та побудувати його амплітудно-частотну характеристику.

Параметри компонентів для моделювання схеми зведені до таблиці 1.

Таблиця 1

Свх, μF Свих, μF Rб1, Ω Rб2, Ω Rк, Ω Rе, Ω VT1
10 100 680 82 68 6,8

2N3904

 

Хід роботи

  1. Запустіть програму Multisim0.
  2. Зайдіть у меню «Вставить» – «Компонент».
  3. У вікні, що з’явилося, оберіть розділ «Transistors» та сімейство «BJT_NPN».
  4. Оберіть транзистор 2N Натисніть «ОК» та поставте його в довільне місце робочого поля програми.
  5. Оберіть розділ «Basic» та сімейство «Capacitor» (конденсатор).
  6. Оберіть конденсатори ємністю 1μ (1 мкФ = 10-6 Ф) та 100μ та поставте їх поряд з транзистором.
  7. Оберіть сімейство «Resistor» (резистор, активний опір).
  8. Оберіть резистори опором 680 Ω (Ом), 82 Ω, 68 Ω та 6,8 Ω та поставте їх поряд з іншими компонентами.
  9. Оберіть розділ «Sources» (джерела).
  10. Оберіть сімейство «Power sources» (джерела живлення).
  11. Оберіть джерело живлення постійного струму «DC_Power», натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
  12. Оберіть сімейство «Signal voltage sources».
  13. Оберіть джерело живлення змінного струму «AC_Voltage», натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
  14. Оберіть «Ground» (заземлення), натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
  15. Закрийте вікно добору компонентів.
  16. За допомогою інструментів програми, з якими ви ознайомилися під час виконання попередньої лабораторної роботи, з’єднайте всі компоненти відповідно до схеми на рисунку 1. Заземлення має бути з’єднаним з загальним (від’ємним) провідником схеми.
  17. Оберіть у правому вертикальному меню осцилограф та встановіть його з правого боку від схеми (XSC1).
  18. З’єднайте канал «А» осцилографа XSC1 з виходом підсилювача.
  19. Оберіть у правому вертикальному меню ще один осцилограф та встановіть його з правого боку від схеми (XSC2).
  20. З’єднайте канал «А» осцилографа XSC2 з джерелом вхідного сигналу AC_Voltage. Приклад побудованої схеми зображено на рисунку 2.

Рис. 2. Приклад побудованої схеми

  1. Подвійним клацанням лівою кнопкою миші на джерелі вхідного сигналу AC_Voltage відкрийте вікно його налаштування.
  2. У вікні, що з’явилося, задайте параметри: амплітудне значення напруги «Напряжение (Pk)» – 500 mV; частота F – 20 Hz (Герц).
  3. Закрийте вікно налаштування джерела вхідного сигналу.
  4. Відкрийте вікна обох осцилографів подвійним клацанням лівої кнопки миші та встановіть їх у зручних місцях поля програми.
  5. Натисніть кнопку «Пуск» . Почалося моделювання роботи схеми. На осцилографах мають відтворюватися вхідний та вихідний сигнали.
  6. Через декілька секунд натисніть кнопку «Стоп» поряд з кнопкою «Пуск».
  7. На екранах осцилографів знайдіть ділянки з записаними сигналами.
  8. Встановіть на екранах осцилографів зручні для роботи масштаби часу та рівня сигналу.

Рис. 3. Приклад зареєстрованих осцилографами вхідного та вихідного сигналів

  1. За графіком вихідного сигналу на осцилографі XSC1 визначте його амплітуду Uвих та запишіть до таблиці результатів. Амплітуда вхідного сигналу Uвх дорівнює 500 mV.
  2. Відкрийте вікно налаштування джерела вхідного сигналу AC_Voltage та встановіть частоту 100 Hz. Амплітудне значення напруги вхідного сигналу залишайте незмінним.
  3. Повторіть попередні вимірювання для нового значення частоти вхідного сигналу. Результати вимірювань заносьте до таблиці результатів.
  4. Повторіть попередні кроки для частот вхідного сигналу 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 12000, 15000, 18000 та 20000 Hz. Результати вимірювань заносьте до таблиці.

Аналіз даних

  1. За формулою (1) розрахуйте коефіцієнт підсилення змодельованого підсилювача для кожної з частот, на якій проводилися вимірювання. Результати розрахунків заносьте до таблиці.
  2. За допомогою Excel побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.
  3. Розрахуйте коефіцієнт підсилення за формулою (2).
  4. За амплітудно-частотною характеристикою визначте, за яких частот розрахункове значення коефіцієнту підсилення найбільш близьке до його фактичного значення.
  5. За амплітудно-частотною характеристикою визначте найбільше значення коефіцієнту підсилення та частоту, яка йому відповідає.
  6. За амплітудно-частотною характеристикою визначте діапазон частот, у якому коефіцієнт підсилення не зменшується більш ніж на 20 % порівняно з максимальним.
  7. Дійдіть висновків за результатами лабораторної роботи.

 

Таблиця результатів

F, Hz 20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 12000 15000 18000 20000
Uвих, В
Ku

Uвх = Pk = 500 mV.