4.3.2. Исследование усилителя с отрицательной обратной связью

1. Снять амплитудную характеристику усилителя U_ВЫХ = f(U_ВХ) при f_ВХ =const и определить его коэффициенты усиления при наличии отрицательной обратной связи, для чего:

а) переключатели S1 и S3 установить в положение “1”;

б) переключатель S2 установить в положение “1”;

в) выполнить подпункты “в”, “г”, “д” предыдущего пункта 3.

2. Определить частотные характеристики усилителя c отрицатель-

ной обратной связью, для чего:

а) выполнить подпункты “а”, “б”, пункта 2.1;

б) выполнить подпункты “б”, “в”, “г” предыдущего пункта 4.

3. Исследовать влияние емкости разделительных конденсаторов на частотную характеристику с ООС, для чего:

а) переключатели S1, S3 установить в положение “2”;

б) переключатель S2 установить в положение “1”;

в) выполнить подпункты “б”, “в”, “г” предыдущего пункта 4.

4. По данным измерений табл. 1 построить графики амплитудных характеристик (зависимостей U_ВЫХ и К_U от U_ВХ при f_ВХ = const) в общей системе координат и определить динамические диапазоны без ООС и с ООС.

5. По данным измерений табл. 2.2 построить графики частотных характеристик (зависимостей коэффициента усиления от частоты входного сигнала К_U= f(f_ВХ) при U_ВХ = const и определить полосу пропускания f усилителя без ООС и с ООС и влияние на неё емкостей разделительных конденсаторов.

4.4. Содержание отчета

1. Схема экспериментальной установки.

2. Результаты измерений (таблицы 1 и 2).

3. Графики зависимостей: U_ВЫХ = f(U_ВХ), U^ООС_ВЫХ = f(U_ВХ),

К_U= f(U_ВХ), К_U ^ООС = f(U_ВХ), К_U= f(f), К_U ^ООС = f(f),

4. Краткие выводы по всем этапам выполненной работы.

4 .5. Вопросы для самоконтроля

1. Назначение разделительных и шунтирующих конденсаторов?

2. Назначений и работа делителя напряжения R1 и R2?

   3. Назначение резисторов нагрузки R_К?

4. Что называется смещением?

5. Из каких соображений выбираются ток делителя при создании

напряжения смещения?

6. Почему напряжение на коллекторе c увеличением тока коллектора

падает?

7. В каком фазовом соотношении находятся входной и выходной

сигналы в схеме с ОЭ? Объяснить.

8. Как осуществляется смещение в рассматриваемой схеме усилителя?

9. Чему равен коэффициент усиления многокаскадного усилителя?

10. Что называется обратной связью?

11. Что называется обратной связью по току, по напряжению?

12. Какая обратная связь называется положительной, отрицательной?

13. Почему при отрицательной обратной связи уменьшается

коэффициент усиления?

14. Как влияет отрицательная обратная связь на стабильность

коэффициента усиления?

15. Объясните физический смысл изменения величины

коэффициента усиления при введении отрицательной обратной

связи.

16. Что такое коэффициент передачи цепи обратной связи?

17. Как влияет на величину отрицательной обратной связи

значение резистора R_Э?

18. Какая обратная связь называется единичной?

19. Почему усилители обычно являются многокаскадными?

20. Что такое местная и общая обратная связь?

21. Объяснить действие местной и общей обратной связи.

22. Почему при повышении температуры увеличиваются все токи

транзистора?

23. Как происходит эмиттерная термостабилизация?

24. Что такое амплитудная характеристика усилителя?

25. Что такое амплитудно-частотная характеристика усилителя?

26. Чем объясняется нелинейность амплитудной характеристики?

27. Чем объясняется снижение коэффициента усиления на низких

и высоких частотах?

28. Что называется граничными частотами?

29. Объясните появление нелинейных искажений в транзисторном

усилителе, пользуясь характеристиками транзистора.

30. Какие искажения называются частотными?

31. Влияет ли на нелинейные искажения амплитуда входного сигнала?

33. Объяснить влияние отрицательной обратной связи на вид

амплитудно-частотной характеристики.

34. Как уменьшить спад амплитудно-частотной характеристики

усилителя в области низких частот?

35. Как уменьшить спад амплитудно-частотной характеристики

усилителя в области высоких частот?

5. Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА

НА ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: углубить и закрепить практически теоретические знания, полученные по принципу действия мультивибратора. Привить навыки работы с осциллографом при исследовании схем.

5.1. Краткие теоретические сведения о работе мультивибратора

Мультивибратором называется релаксационный генератор, вырабатывающий электрические импульсы, форма которых близка к прямоугольной.



Название этого генератора отражает тот факт, что в спектральный состав сигнала, существенно отличающегося от гармонического (в данном случае – сигнал прямоугольной формы), входит большое число (мульти) гармонических составляющих. Это важно знать для оценки влияния такого сигнала на различные электрические цепи.

Длительность импульса у релаксационных генераторов определяется временем исчезновения (по латыни relaxatio) электрического или магнитного поля в одном из входящих в состав генераторов накопителе энергии, например, конденсаторе. Управление процессом накопления и расхода энергии осуществляется с помощью электронных ключей.

Ф орма выходных импульсов мультивибратора зависит от номиналов элементов схемы и может отличаться от прямоугольной. Ниже на рис.1 приводится общее представление реальных прямоугольных импульсов и основные их параметры.

Рис.1. Характерные участки и параметры импульсов

Импульсы имеют следующие характерные участки: 1-2 - фронт, 2-3 - вершина, 3-4 - срез (задний фронт). При работе с импульсами используют их параметры:

1. Амплитуда (высота) U_m (I_m)  наибольшее значение напряжения (тока) импульса данной формы.

2. Длительность импульса t_И - это время от начала действия импульса до его завершения. Измеряется по основанию импульса или на уровне 0,1 U_m, если границы импульса сильно скруглены. Имеет размерность времени.

3. Длительность фронта t_Ф , определяется временем нарастания импульса от 0 до U_m. В инженерной практике для импульсов скругленной формы под t_Ф понимают время нарастания импульса от 0,1 U_m до 0,9 U_m.

4. Длительность среза t_С , определяется временем спада импульса (в пределах 0,9...0,1 U_m). Чем меньше величины t_Ф и t_С тем ближе форма импульса к прямоугольной.

5. Период повторения Т – временной интервал между началами или окончаниями двух однополярных импульсов.

6. Частота повторения импульсов F - величина, обратная периоду (F = 1/Т). Измеряется в импульсах в секунду.

7. Пауза t_П - интервал времени между импульсами: t_П =Т t_И

8. Скважность Q - отношение периода колебаний к длительности импульса, Q = Т / t_И . Если длительность импульса равна длительности паузы (t_И = t_П ), то Q =2 и такой сигнал носит название меандр.

9. Коэффициент заполнения  - величина, обратная скважности  = 1/Q

10. Крутизна фронта S_ф или среза S_С,  отношение амплитуды импульса к длительности фронта или среза: S_Ф = U_m / t_Ф, S_С = U_m / t_С , (В/с). Характеризует скорость нарастания или спада импульса.

Наиболее распространенная схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями представлена на рис. 2.

Особенностью схемы является то, что транзисторы работают здесь в ключевом режиме. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов. Длительность импульса определяется временем нахождения транзистора в закрытом состоянии (когда на его коллекторе присутствует напряжение)⁵. Обычно схема мультивибратора выполняется симметричной на транзисторах с одинаковыми параметрами и при R_K1= R_K2= R_K, R_Б1= R_Б2= R_Б, С₁= С₂= С.



Современная схемотехника в основном базируется на транзисторных структурах n-p-n типа, для которых протекание токов и падения напряжений происходят сверху вниз (от плюса источника питания к его минусу по схеме), что удобно для анализа. Однако, лабораторная база построена на транзисторах p-n-p типа, поэтому все дальнейшие рассуждения будут отнесены именно к этому типу транзисторов .

Рис 2. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми

емкостными связями

Мультивибратор представляет собой автоколебательную систему с положительной обратной связью, которая реализуется с помощью конденсаторов C1 и С2. Однако в режиме отсечки (транзистор закрыт) положительная обратная связь будет практически разорвана. Поэтому она существует при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то есть в активном режиме работы транзисторов. Последнее обуславливает большую скорость переключения транзисторов за счет значительного коэффициента усиления по току и действия положительной обратной связи. Графики изменения во времени коллекторных и базовых напряжений транзисторов показаны на рис. 3. Здесь же стрелками показаны направления воздействия сигналов.

Работу мультивибратора рассмотрим с момента времени t₁, когда после очередного опрокидывания транзистор VT1 открылся (перешел в режим насыщения, при этом –U_КЭ1  0, см. рис. 3, б) и через него начался разряд конденсатора C1 (см. рис. 3, в), заряженного ранее до напряжения U_Cm ≈ Eк, разрядный ток которого протекает по цепи (см. рис. 2):

+ С1 R_Б2 Eк  R_Ек  0  +Е_К  э-к VT1   C1



Поскольку в режиме насыщения сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT1 практически равно нулю, можно считать, что в момент t₁ левая, отрицательно заряженная, обкладка конденсатора С1 соединится с общим проводом (эмиттером VT2) и все напряжение заряда конденсатора U_C2 = +E_К приложится к переходу база-эмиттер транзистора VT2 (плюсом к базе, т.е. U_БЭ2 = +U_C2), переводя его в режим отсечки (U_КЭ2 = –Е_К).

Если пренебречь влиянием на процесс разряда конденсатора С1 входной цепи закрытого транзистора VT2 (напряжение U_С1 является обратным для p-n перехода база-эмиттер) и сопротивления эмиттер - коллектор

Р ис.3. Временные зависимости коллекторных (выходных)

и базовых напряжений симметричного мультивибратора

открытого (насыщенного) транзистора VT1, то его разряд происходит с постоянной времени

_Р = С₁ R_Б2 = С R_Б. (1)

При этом изменение напряжения на конденсаторе С1 от значения U_Cm ≈ E_К при разряде определяется выражением:

, (2)

Одновременно в момент времени t₁ начинается заряд конденсатора C2 (см. рис. 3, а) по цепи (см. рис. 2):

+Е_К  э-б VT1  С2  R_К2  E_К

Постоянная времени заряда конденсатора

_З = С₂ R_К2 = С R_К (3)

Изменение напряжения на конденсаторе С2 при заряде определяется выражением:

, (4)

Д



ля обеспечения автоколебательного режима работы необходимо, чтобы выполнялось условие _Р > _З. В симметричном мультивибраторе это условие схемно реализуется путем выбора R_Б > R_К.

Во время заряда конденсатора С2 ток базы открытого транзистора VT1 состоит из двух составляющих: тока через резистор R_Б1 и тока заряда конденсатора С2 , т.е.

I_Б1 = I_RБ1 + I_{ЗАР С2} . (5)

Этим объясняется отрицательный пик напряжения на базе транзистора VT1 (см. рис. 3, а) в момент его открывания t₁, поскольку

U_БЭ1 = I_Б1 R_БЭ1. (6)



Наличие зарядного тока I_{ЗАР С2} приводит к искажению фронта импульса на коллекторе закрытого транзистора VT2 (см. рис. 3, г), что следует из выражения

–U_KЭ2 = – (E_K – I_ЗАР.С2R_K2) . (7)

Поскольку ток I_ЗАР.С2 = , то при t=0 (в момент времени начала заряда t₁) этот ток имеет наибольшее значение, равное Е_К / R_К2, при котором (из (5.6)) напряжение на коллекторе U_КЭ2 = 0 (точка А на рис. 3, г), вместо U_КЭ2 =–Е_К (точка В), соответствующего закрытому состоянию транзистора VT2.

С ростом времени (в промежутке t₁ – t₂) ток заряда уменьшается до нуля, что приводит (см. (7)) к возрастанию напряжения на коллекторе VT2 до значения U_КЭ2 = –Е_К (см. рис. 3, г)).

П



осле быстрого заряда конденсатора С2 (т.к. _З << _Р) к моменту времени t₂ ток базы транзистора VT1 уменьшается (спад пика U_БЭ1 при I_{ЗАР С2} = 0, (см. (5.5) и (5.6)), однако транзистор VT1 остается в открытом (насыщенном) состоянии за счет тока базы I_Бнас= Е_К / R_Б1 (см. рис.2 и 3, а), протекающего через резистор R_Б1.

С течением времени (в промежутке t₁…t₃) напряжение конденсатора С1 уменьшается (см. (5.2)), следовательно, положительное напряжение на базе транзистора VT2 понижается. К моменту t₃ конденсатор С1 полностью разрядится до U_С1 = U_БЭ2 = 0 и начнется его перезарядка по цепи:

+E_К  э-к VT1  С1  R_Б2  –Е_К

Как только напряжение на конденсаторе С1 сменит знак (U_С1=U_БЭ2  0, после момента t₃, см. пунктир на рис. 3, в), появляется ток базы I_Б2 и транзистор VT2 начинает открываться. Появляется ток коллектора I_К2 и происходит повышение (уменьшение отрицательного) потенциала на коллекторе транзистора VТ2 за счет увеличения падения напряжения на R_К2 в соответствии с выражением:

– U_КЭ2 = – (Е_К – I_К2R_K2) . (8)

Это повышение потенциала через конденсатор связи С2 передается на базу транзистора VT1 и приводит после его выхода из насыщения к уменьшению тока коллектора I_К1. Потенциал на коллекторе транзистора VT1 понижается (становится более отрицательным, см. (8) для U_КЭ1). Это понижение потенциала на коллекторе транзистора VT1, через конденсатор связи С1 передается на базу транзистора VT2 и вызывает его дальнейшее открывание. При этом потенциал на коллекторе VT2 еще более возрастает и это изменение потенциала через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1, вызывая его дальнейшее закрывание и т.д.

За счет положительной обратной связи процесс изменения состояния транзисторов носит лавинообразный характер, происходит скачком. В результате этого процесса в момент t₃ транзистор VT1 перейдет в состояние отсечки, а транзистор VT2 полностью откроется и перейдет в насыщение.

В дальнейшем процессы будут происходить аналогично рассмотренным выше для момента t_1, только теперь начнет разряжаться конденсатор С2 и заряжаться конденсатор С1. На графиках (см. рис. 3) стрелками показаны причинно-следственные связи процессов, происходящих в схеме.

А



нализ протекающих в мультивибраторе процессов показывает, что в каждом цикле колебаний длительность импульса t_И, формируемого на коллекторе закрытого транзистора, определяется временем разря­да конденсатора, соединенного с его базой (в процессе перезаряда) от напряжения U_С = +Е_К до U_С  0.

Найдем это время, а значит и длительность выходного импульса. Перезаряд конденсатора от +Е_К до –Е_К (пунктирная линия на графике) не происходит, так как при достижении U_C  0 транзисторы переключаются и конденсатор опять быстро заряжается до +Е_К.

Приняв двойную амплитуду напряжения от +Е_К до –Е_К за U_m (т.е. U_m = 2E_K, см. рис.3, а), можно записать выражение для изменения напряжения, к моменту разряда конденсатора от +E_К до U_С = 0, соответствующего 0,5 U_m:

0,5U_m = U_m , (9)

откуда 0,5 = .

Прологарифмируем это выражение, откуда найдем искомое t_И:

ln = – ,

t_И = – _Р ·ln = –_Р ·ln1 +_Р ·ln2 = 0,69_Р (10)

Т

t_И = t_{РАЗР С0}  0,7∙ _{Р ,}

аким образом, длительность импульса (на закрытом VT) равна:

(11)

где _Р = R_БC - постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Пауза между импульсами t_П = T – t_И формируется на коллекторе транзистора, когда VT – открыт (U_KЭ  0) и определяется временем закрытого состояния другого транзистора (т.е. t_П2 = t_И1).

Для симметричного мультивибратора, где С₁ = С₂ и R_Б1 = R_Б2 имеет место равенство t_И = t_П. Очевидно, что период колебаний симметричного мультивибратора

Т = t_И + t_П = 2t_И  1,4 R_БC (12)

Прямоугольные колебания, для которых выполняется условие равенства t_И = t_П называются меандром, при этом скважность Q = Т/ t_И = 2

И



з формул (11) и (12) видно, что изменение длительности импульсов и частоты колебаний (величины, обратной периоду) возможно путем изменения величин емкостей С1 и С2 и резисторов R_Б1 и R_Б2, т.е. изменением параметров разрядных цепей конденсаторов.

В лабораторной работе исследуется мультивибратор, схема которого приведена на рис.4. В этой схеме предусмотрена возможность изменения сопротивлений резисторов в цепях баз транзисторов с помощью потенциометра R4. Это позволяет изменять постоянную времени разряда конденсаторов _р и тем самым менять скважность – соотношение длительностей импульса и паузы при неизменном периоде колебаний (Q = Т/ t_И).

Рис.4. Схема для исследования мультивибратора

С помощью резистора R1 можно менять величину напряжения и тока смещения транзисторов, что дает возможность изменять период и частоту колебаний мультивибратора На рис. 5 приведены начальные рабочие точки В, С и Н, характеризующие состояние транзисторов соответственно при Верхнем, Среднем и Нижнем положениях движка потенциометра R1

В верхнем положении потенциометра R1 имеет место максимальное смещение (точка В) транзисторов (их базовые цепи соединены через свои R_Б с –Е_К) и схема является аналогом схемы на рис. 2, протекание процессов в которой рассмотрено выше.

В крайнем нижнем положении R1 (точка Н) базовые цепи замыкаются на общий провод. При этом начальные базовые напряжения и токи равны нулю и транзисторы находятся в режиме отсечки (закрыты). В этом случае работа мультивибратора отличается от рассмотренной. Зарядные цепи конденсаторов остались теми же, а разрядные изменились в принципе. Теперь разряд конденсатора происходит только через соответствующий R_Б и открытый транзистор (раньше в цепи было внутреннее сопротивление источника питания R_ИП). Кроме того, исчезли цепи перезаряда конденсаторов, которые теперь со стороны базы не имеют связи с –Е_К. Следовательно, знак напряжения (полярность) на конденсаторах никогда не изменяется.

В этом режиме, в отличие от режима В, работа мультивибратора определяется процессами заряда конденсаторов. Действительно, оба транзистора находятся в режиме отсечки, и только во время заряда одного из конденсаторов протекает базовый ток и соответствующий транзистор открывается. С уменьшением зарядного тока I_Б = I_ЗАР.С транзистор прикрывается и на его коллекторе возрастает отрицательное напряжение, способствующее заряду и, следовательно открыванию другой пары конденсатор-транзистор. Поскольку конструктивно _З << _Р и именно зарядные процессы управляют здесь переключениями транзисторов, то частота колебаний в этом режиме выше, чем в базовой схеме.

Режим С является промежуточным с элементами обоих рассмотренных. В среднем положении движка потенциометра R1 в цепь разряда конденсаторов вводится половина R1, что увеличивает время разряда (теперь _Р = (R_Б + 0,5R1)С) и уменьшает частоту выходных колебаний ниже базовой. Кроме того, возрастание сопротивления в цепи базы открытого транзистора (на величину 0,5R1) приводит к уменьшению тока базы и, как следствие, к выводу транзистора из насыщения (при котором U_КЭ=const) в активную область. Этим объясняется появление “ступеньки” – снижение максимального напряжения импульса после завершения заряда соответствующего конденсатора.

Детально изучить работу мультивибратора помогут [2, 5, 6, 7, 11].