Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_LINEAR_LABS_METODA_KAF41_5217

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ”

Кафедра моделирования вычислительных и электронных систем

ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Санкт-Петербург

2013

2

Составители: Григорьева Н.Н., Жаринов И.О., Жаринов О.О., Исаков В.И., Калюжный В.П., Кулин А.Н.

Методические указания предназначены для студентов дневной формы обучения, изучающих дисциплины "Основы электроники", "Электротехника и электроника".

Методические указания содержат описания лабораторных работ по теме "Линейные электронные устройства".

Подготовлены к публикации кафедрой моделирования вычислительных и электронных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,

2013

3
СОДЕРЖАНИЕ
	стр.
Краткие сведения о линейных электронных устройствах и	методах
их исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . 4

Лабораторная работа №1 (макет №18).
Исследование электронных устройств, построенных на основе
прецизионного операционного усилителя К140УД1408 . . . . . . . . . . . . .	8
Лабораторная работа №2 (макет №11).
Исследование избирательного усилителя низкой частоты . . . . . . . . . .	19

Лабораторная работа №3 (макет №10).

Исследование усилителя, построенного на основе микросхемы К118УН1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Лабораторная работа №4 (макет №21).
Исследование бестрансформаторного усилителя мощности на
микросхеме K174УН4Б . . . . . . . . . . . . .		. . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . . . . .	. 36
Лабораторная работа №5 (макет №5).
Исследование	транзисторных	усилителей	мощности	с
трансформаторным выходом . . . . . . . .		. . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . . . . .	. 43
Лабораторная работа №6 (макет №7).
Исследование компенсационного стабилизатора напряжения . . . . . . .				57
Приложение.
Формы протоколов измерений к лабораторным работам . . . . . . . . . . .				69

4

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ И МЕТОДАХ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основным свойством линейных электронных устройств, которое отличает их от всех остальных, является выполнение принципа суперпозиции:

N		N	}. Иными словами, реакция устройства на сумму
L ∑UBXk		= ∑L{UBXk
k =1		k =1

нескольких входных воздействий будет равна сумме реакций устройства на каждое из этих входных воздействий, поданных на него по отдельности. Из этого принципа, в частности, следует, что зависимость какого-либо параметра выходного сигнала (напряжения или тока) линейного устройства от входного воздействия на это устройство должна быть линейной во всем диапазоне возможных входных воздействий.

Значительную долю линейных устройств составляют усилительные устройства, предназначенные для увеличения мощности сигнала, подаваемого на их вход при сохранении формы сигнала. Для подобных устройств линейной должна быть зависимость амплитуды выходного гармонического напряжения от амплитуды входного гармонического напряжения: UmВЫХ=KU UmВХ, где константа KU является основным параметром усилителя и называется коэффициентом усиления напряжения. Среди других типов линейных устройств можно отметить частотно-избирательные усилители, к которым, помимо усилительной способности, предъявляются специальные требования по частотной селекции сигналов: с тем, чтобы на одних частотах KU был бы больше, а на других значительно меньше.

Идеальных линейных устройств не существует: диапазон напряжений, в которых хотя бы приблизительно справедливо равенство UmВЫХ=KU UmВХ для любого усилителя ограничен теми или иными факторами. Среди прочих можно отметить два наиболее значимых. Во-первых, всегда существуют некоторые предельные значения выходного напряжения Umax и Umin (обычно Umin=−Umax), которое электронное устройство вообще способно сформировать на своем выходе. Когда предельное значение достигнуто, дальнейшее увеличение Um ВХ уже не будет приводить к росту Um ВЫХ. Этим объясняется появление искажений формы выходного сигнала (искажения,

известные как “ ограничение”,			проявляю-
щиеся на гармоническом сигнале так, как
показано на рис. 1) при чрезмерном
увеличении	амплитуды		входного
сигнала. Во-вторых, вольт-амперные
характеристики активных		электронных		Рис. 1. Нелинейные искажения типа
компонентов,	из которых		построено
электронное	устройство,	никогда не		“ ограничение”.

бывают идеально линейными.

Определение условий, при которых устройство можно считать линейным, актуально во многих практических приложениях.

5

Степень линейности устройства оценивается по его амплитудной характеристике: под ней понимается зависимость амплитуды выходного напряжения Um ВЫХ от амплитуды входного Um ВХ при постоянном значении частоты входного гармонического сигнала. Границы линейного участка амплитудной характеристики определяют т. н. динамический диапазон входных и выходных сигналов устройства. Типичная форма графика амплитудной характеристики приведена на рис. 2; в данном случае предельное значение Um ВЫХ составляет примерно 5.3 В (здесь показан случай т. н. “ мягкого” ограничения).

Рис. 2. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя, график построен в логарифмическом масштабе.

При исследовании линейного устройства пристального внимания заслуживают его частотные характеристики: в общем случае устройство поразному реагирует на входные гармонические сигналы с разными частотами. При этом к усилительным устройствам предъявляется требование, чтобы коэффициент усиления не зависел от частоты в как можно более широком диапазоне частот (как минимум в области возможных частот входного сигнала), а, например, частотно-избирательные устройства (называемые также активными фильтрами) должны обладать частотными характеристиками заданного вида.

В общем случае для описания частотных свойств линейных устройств применяется комплексная частотная характеристика W(jω), которая определяется как отношение комплексного спектра выходного сигнала к спектру входного сигнала: W(jω)=SВЫХ(jω)/SВХ(jω).

комплексный спектр		S(jω) любого сигнала			x(t) математически определяется преобразованием Фурье:
∞	− jωt dt S(jω) =		∞	− jωt dt ; при
S(jω) = ∫ x(t ) e			∫ x(t) e		необходимости получения сигнала x(t) по известному
−∞			− ∞

6

Для усилителя зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала при известной функции W(jω) можно оценить по амплитудно-

частотной характеристике (АЧХ) A(ω), которая однозначно связана с частотной передаточной характеристикой выражением вида A(ω)=|W(jω)|.

Экспериментальное исследование АЧХ предполагает проведение ряда измерений, когда в схему последовательно подаются гармонические сигналы с одной и той же амплитудой, но с разными частотами и регистрируется амплитуда выходного напряжения. Для удобства построения графика по числовым данным, изменяющимся в широких пределах, часто применяется логарифмический масштаб. Кроме того, при построении АЧХ принято оперировать её значениями, выраженными в децибелах AdB(ω), с использованием формулы пересчета

AdB(ω)=20 Lg(A(ω)).

Типичный вид графика АЧХ усилительного устройства показан на рис. 3; из него можно определить граничные значения полосы рабочих частот по уровню минус 3дБ от максимума. Полезно проанализировать график и убедиться, что в данном случае полоса рабочих частот ограничена значениями 20 Гц и 30 кГц.

Рис. 3. Типичная АЧХ усилителя звуковых сигналов (график построен в полулогарифмическом масштабе: по оси ординат масштаб линейный, по оси абсцисс логарифмический).

Важно помнить, что при построении графика по значениям, выраженным в децибелах, по соответствующей оси графика (в данном случае по оси ординат) всегда выбирается линейный масштаб. При необходимости быстрой оценки величины коэффициента усиления по данным, выраженным в децибелах, можно воспользоваться таблицей 1.

Таблица 1

КU			0.01	0.1		0.5			0.707		1	1.414	2		10		20	100	1000
KU dB			−40	−20			−6		−3		0	3	6		20		26	40	60
комплексному				спектру			∞	S(jω)			используют		обратное			преобразование			Фурье:
	1	∞			1
x(t ) =			∫ S(jω) e jωt dω x(t) =				∫ S(jω) e jωt dω .
	2π −∞				2π
							− ∞

7

Очень часто при практическом применении любых устройств, как линейных, так и нелинейных, возникает вопрос о влиянии параметров нагрузки на характеристики устройства. Действительно, во многих случаях параметры нагрузки при эксплуатации устройства меняются в широких пределах, и это может повлиять на его функционирование. Поэтому всегда возникает вопрос о диапазоне допустимых нагрузок для каждого конкретного устройства, при которых указанная зависимость незначительна. Одной из типовых характеристик, в достаточной мере отражающей указанную зависимость, является нагрузочная характеристика, показывающая, как зависит выходное напряжение устройства от активного сопротивления нагрузки при неизменных параметрах входного сигнала. Еще более полную информацию дает построение нескольких (конечно, однотипных) характеристик устройства при разных нагрузках. Это тем более необходимо, когда нагрузка имеет комплексный характер. Для возможности количественного сравнения нескольких характеристик их обычно строят на одном графике, так образуется т. н. семейство характеристик устройства. Например, в рамках данного курса лабораторных работ часто требуется построить семейство АЧХ усилительного устройства, снятых при различных режимах его работы.

Программа исследований в рамках каждой из представленных здесь лабораторных работ организована по общей схеме:

-исследовать амплитудную характеристику: UВЫХ=ψ1(UВХ);

-исследовать АЧХ: UВЫХ=ψ2(f);

-исследовать нагрузочную характеристику: UВЫХ=ψ3(RH);

-изменить что-либо в исследуемой схеме и повторить измерения

характеристик UВЫХ=ψ1(UВХ), UВЫХ=ψ2(f) и UВЫХ=ψ3(RH) с целью оценки влияния этого изменения на характеристики устройства.

Вообще, некоторые пункты исследований могут отсутствовать, если характеристика для исследуемого устройства не имеет принципиального значения, а порядок проведения измерений может быть другим.

При проведении исследований линейных электронных устройств используются генераторы гармонических сигналов, осциллографы, стрелочные и цифровые вольтметры и амперметры, а для точного задания частоты входных сигналов (в тех работах, где эта точность имеет важна) применяются электронносчётные частотомеры.

Прежде чем приступать к каким-либо измерениям, нужно предварительно изучить принципиальную схему исследуемого устройства, ознакомиться с составом лабораторной установки, расположением органов коммутации и управления лабораторного макета, а также научиться пользоваться измерительными приборами. Кроме того, непосредственно перед выполнением лабораторной работы следует согласовать с преподавателем программу исследований (получить вариант задания), подготовив протокол в соответствии с формой, приведенной в приложении для каждой работы, предварительно отметив на его первом листе состав бригады студентов.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия следует выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол у преподавателя, даже если программа измерений выполнена не полностью.

8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 (макет №18)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ К140УД1408

Цель работы: изучение возможностей практического использования операционного усилителя типа К140УД1408; исследование типовых линейных электронных устройств обработки сигналов, выполненных на базе этого усилителя.

1.1. Методические указания по подготовке к работе

Операционный усилитель (ОУ) это универсальный электронный элемент, который используется для создания разнообразных устройств обработки сигналов и аналоговых электронных моделей.

Варианты условных обозначений ОУ показаны на рис. 1.1.

а) б)

Рис. 1.1. Условные обозначения для ОУ на схемах.

Особенностью ОУ, отличающей его от всех остальных усилительных устройств, является наличие двух входов: прямого (неинвертирующего) и инвертирующего "Вх+" и "Вх−" на рис. 1.1, соответственно. Входные напряжения UВХ+ и UВХ− подаются на каждый вход ОУ относительно общего провода схемы (который на схемах обозначается символом “ ┴”), относительно него же измеряется выходное напряжение UВЫХ. Математически работа ОУ описывается соотношением

UВЫХ=K0 (UВХ+ − UВХ−),

где K0 собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Анализ и синтез схем на операционных усилителях удобно проводить с использованием модели идеального ОУ, которая характеризуется следующими свойствами:

-коэффициент K0 бесконечно велик;

-входное сопротивление бесконечно велико;

-выходное сопротивление равно нулю (это означает, что мощность выходного сигнала идеального ОУ ничем не ограничена);

-полоса рабочих частот бесконечна.

Наличие двух входов позволяет вводить в схемы с использованием ОУ как положительные, так и отрицательные обратные связи с целью придания этим схемам желаемых свойств. При построении усилительных устройств на базе ОУ

9

используется отрицательная обратная связь (ООС). В ОУ, охваченном отрицательной обратной связью (как показано на рис. 1.2), сигнал, поданный на вход схемы, проходит на инвертирующий вход ОУ через сопротивление R−, усиливается в K0 раз, меняет знак на противоположный и с выхода через резистор обратной связи RОС− подается обратно во входную цепь. При этом операционный усилитель формирует такое выходное напряжение, которое окажется достаточным для компенсации входного воздействия так, чтобы в установившемся режиме разность напряжений между двумя входами ОУ (т.н. дифференциальное напряжение UД) оказалась бы равной нулю. Для идеального ОУ компенсация предполагается полной, для реальных ОУ остаточное не скомпенсированное напряжение UД оказывается хотя и не нулевым, но весьма малым. Эту особенность функционирования ОУ называют свойством «виртуального нуля».

Рис. 1.2. Одна из типовых схем включения ОУ:

схема масштабного усилителя на основе ОУ в инвертирующем включении.

Операционные усилители, выпускаемые промышленностью в виде интегральных микросхем, обладают свойствами, в достаточной степени близкими к свойствам идеального ОУ, по крайней мере, при решении большинства практических задач. В частности, у ряда современных операционных усилителей:

-коэффициент усиления (K0) может достигать 120 дБ (т. е. 106 раз);

-входное сопротивление (RВХ) измеряется десятками гигаом;

-выходное сопротивление исчисляется десятыми долями Ома;

-частота единичного усиления достигает сотен мегагерц и даже единиц гигагерц.

Исследуемый ОУ типа К140УД1408 представляет собой отечественный аналог широко известного и хорошо зарекомендовавшего себя во многих технических приложениях ОУ типа LM308, разработанного фирмой "National Semiconductor" (США) и выпускаемого многими другими фирмами. Он, в частности, обладает следующими параметрами:

-K0 не менее 94 дБ;

-RВХ не менее 30 МОм;

-частота единичного усиления не менее 300 кГц.

Разработчиком предусмотрена возможность подключения к ОУ специальных цепей частотной коррекции, с целью расширения полосы рабочих частот устройств на его основе.

10

Принцип расчета и анализа типовых устройств на основе ОУ иллюстрируют следующие примеры.

Масштабный усилитель. Практическое использование ОУ как усилительного устройства затрудняется тем, что значение собственного коэффициента усиления K0 обычно оказывается слишком большим для многих практических приложений. Для того чтобы построить усилитель с любым другим (меньшим, чем K0) значением коэффициента усиления, применяют схемы масштабных усилителей, в которых ОУ может быть включен либо по схеме инвертирующего включения, либо неинвертирующего включения.

Схема масштабного усилителя на ОУ в инвертирующем включении приведена на рис. 1.2. Считая ОУ идеальным (в частности, полагая UД=0), и применяя законы Ома и Кирхгофа, нетрудно получить соотношения для расчета данного усилителя:

			=		U		ВХ
I0
					R −
			=	U		ВЫХ
I
	1				R OC−
			+ I1=0,
I		0

из которых выражается его коэффициент усиления по напряжению

K U	=	UBЫХ	= −	R OC −	.	(1.1)
		UBХ
				R −

Соответственно, амплитудная характеристика масштабного усилителя в

инвертирующем включении выражается как UBЫХ = − R OC − UBХ. R −

Резистор R+ служит для симметрирования режимов работы входных каскадов ОУ, хотя, в принципе, его наличие в схеме не обязательно.

Для масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении, схема которого приведена на рис. 1.3, система уравнений имеет вид:

		=		U		ВХ
I0
				R −
								− U
		=	U		ВЫХ				ВХ
I
	1					R OC−
		−I0 =0,
I1

и коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением: