Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_LINEAR_LABS_METODA_KAF41_5217

31

факторов. Режим работы каждого из транзисторов дополнительно стабилизируется сопротивлениями R2 и R7 (включенными аналогично R3 на рис. 3.1). Нежелательную общую ООС по переменному току, уменьшающую усиление, можно устранить, включив блокировочный конденсатор между выводом 5 микросхемы и общим проводом. В этом случае переменная составляющая тока обратной связи замыкается на общий провод и на вход усилителя не проходит. Аналогичные решения, при необходимости, применяются для устранения местных обратных связей по переменному току.

Номинальные значения сопротивлений, входящих в состав микросхемы К118УН1, изображенной на рис. 3.3, а, следующие: R1=5.7 кОм, R2=100 Ом, R3=4 кОм, R4=4 кОм, R5=4 кОм, R6=1.7 кОм, R7=400 Ом.

Обычно микросхема К118УН1 используется в качестве усилителя сигналов, хотя на ее основе можно строить и другие устройства аналоговой обработки сигналов. Внешние подключения в одной из типовых схем включения микросхемы К118УН1 как усилителя таковы (см., в частности, рис. 3.3, б):

-к выводу 7 подключается источник питания с напряжением 6.3 В (для микросхем К118УН1А и К118УН1Б) или 12.6 В (для К118УН1В,

К118УН1Г, К118УН1Д);

-вывод 14 соединяется с общим проводом (к которому также подключается отрицательный полюс источника питания);

-выводы 9 и 10 соединяются перемычкой, сопротивлением или дросселем;

-входом усилителя служит вывод 3, выходом вывод 10;

-к выводам 2, 12 и 5 при необходимости могут подключаться блокировочные конденсаторы (при этом второй вывод каждого из конденсаторов соединяется с общим проводом, см. рис. 3.3 б), с тем, чтобы получить от микросхемы максимально возможное усиление.

а) б)

Рис. 3.3. Микросхема К118УН1 (в 14-выводном корпусе типа 238.14-1): а) принципиальная электрическая схема; б) одна из типовых схем включения.

Диапазон рабочих частот микросхемы К118УН1 в соответствии с её паспортными данными – от 0 до 100 кГц (без учета влияния реактивных

32

элементов в составе нагрузки и параметров резистивно-емкостных цепей связи с источником сигнала и нагрузкой).

3.2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде макета, схема которого приведена на рис. 3.4. При выполнении лабораторной работы используются генератор гармонических сигналов, два вольтметра переменного тока и осциллограф. В зависимости от варианта исследования схемы, входной сигнал может быть подан либо на клеммы Г1-Г2, либо на клеммы Г7-Г8, а выходной сигнал может быть зарегистрирован либо на выходных клеммах Г3-Г4 (Г5-Г6), либо на клеммах Г9-Г10 (Г11-Г12). Таким образом, транзистор VT1 можно включить либо по схеме с общим эмиттером (ОЭ), либо по схеме с общей базой (ОБ) − это определяется способом подачи на него входного сигнала. Транзистор VT2 может быть включен либо по схеме ОЭ, либо по схеме с общим коллектором (ОК) − в зависимости от выбора точки съема выходного сигнала. При построении усилительных устройств на микросхеме К118УН1 чаще всего организуется конфигурация ОЭ-ОЭ, поскольку такая структура при прочих равных условиях обеспечивает наибольший коэффициент усиления.

Конфигурацию лабораторного макета можно изменять переключателями П1 – П8:

-П1 предназначен для изменения цепей подключения вывода базы транзистора VT1: при подаче входного сигнала на клеммы Г1-Г2 эти цепи выполняют связь усилителя с источником входных сигналов; а при подаче входного сигнала на клеммы Г7-Г8, эти цепи определяют способ соединения базы транзистора VT1 с общим проводом;

-П2 предназначен для изменения цепей подключения вывода эмиттера транзистора VT1: при подаче входного сигнала на клеммы Г1-Г2, эти цепи задают способ нейтрализации местной отрицательной обратной связи каскада; а при подаче входного сигнала на клеммы Г7-Г8, эти цепи выполняют связь усилителя с источником входных сигналов;

-П3 предназначен для подключения или отключения конденсаторов, выполняющих коррекцию АЧХ усилителя в области низких частот;

-П4 предназначен для изменения параметров общей ООС, с целью уменьшения её действия на переменном токе;

-П5 предназначен для изменения цепей подключения вывода коллектора транзистора VT2: при снятии выходного сигнала с клемм Г3-Г4 (Г5-Г6), эти цепи выполняют связь усилителя с нагрузкой; а при снятии выходного сигнала с клемм Г9-Г10 (Г11-Г12), эти цепи определяют способ соединения коллектора транзистора VT2 с общим проводом;

-П6 предназначен для изменения цепей подключения вывода эмиттера транзистора VT2: при снятии выходного сигнала с клемм Г3-Г4 (Г5-Г6) эти цепи задают способ нейтрализации местной отрицательной обратной связи каскада; а при снятии выходного сигнала с клемм Г9-Г10 (Г11-Г12), эти цепи определяют связь усилителя с нагрузкой;

-П7 и П8 позволяют изменять вид и параметры нагрузок усилителя.

33

Делители напряжений (аттенюаторы) на сопротивлениях R1 – R2 и R3 – R4, ослабляющие входные сигналы в 10 раз, введены в состав лабораторного макета во избежание выхода из строя высокочувствительной микросхемы К118УН1 при случайной установке слишком большого уровня напряжения на генераторе сигналов. Заметим, что вольтметр, подключаемый к входным клеммам макета, отображает величину неослабленного входного сигнала1.

Рис. 3.4. Схема лабораторного макета для исследования усилительного устройства на микросхеме К118УН1.

Номинальные значения элементов схемы, приведенной на рис. 3.4, следующие:

- резисторы: R1=270 Ом, R2=30 Ом, R3=270 Ом, R4=30 Ом, R5=120 Ом,

R6=1,2 кОм,	R7=12 Ом,	R8=120 Ом,		R9=1,2 кОм,	R10=12 кОм,
R11=12 Ом, R12=120 Ом,		R13=470 Ом,		R14=5,1 кОм,	R15=5,1 кОм,
R16=1 МОм, R17=47 Ом, R18=470 Ом, R19=470 Ом, R20=5,1 кОм;
- конденсаторы:	С1=0,1 мкФ,		С2=С3=С4=1 мкФ,		С5=0,1 мкФ,
С6=С7=С8=1 мкФ, С9=0,1 мкФ,			С10=С11=С12=1 мкФ,		С13=0,1 мкФ,
С14=С15=С16=1 мкФ, С17=1000 пФ,				С18=2000 пФ,	С19=1000 пФ,
С20=0,1 мкФ, С21=1 мкФ, С22=0,1 мкФ, С23=С24=1 мкФ;

-индуктивность L1=2750 мкГн.

1Во избежание ошибок коррекцию значений входных напряжений “ на ходу” производить не рекомендуется, – в

протоколе везде используются значения UВХ без учета их ослабления! Только при проведении расчетов и построении графиков в отчете следует оперировать теми значениями входных напряжений, которые воздействовали непосредственно на вход микросхемы, т. е. в 10 раз меньшими, чем указано в протоколе.

34

3.3. Порядок выполнения работы

1.Согласовать с преподавателем программу исследований, получив у преподавателя номер варианта задания (от 1 до 6) на проведение исследований.

2.Подключить источник входного сигнала (генератор гармонических сигналов) и один вольтметр к паре клемм Г1-Г2, осциллограф — к клеммам Г3Г4, второй вольтметр — к клеммам Г5-Г6. Задать исходную конфигурацию макета усилительного устройства, установив перемычки следующим образом:

П1= 3 , П2= 1 , П3= 1 , П4= 1 , П5= 3 , П6= 2 , П7= 3 , П8= 1.

3.Снять амплитудную характеристику усилителя в середине полосы усиления (установив на генераторе сигналов частоту 50 кГц) при заданном

сопротивлении нагрузки RН (указать в протоколе значение в соответствии с вариантом конфигурации схемы). Для этого, изменяя уровень входного

напряжения UВХ, с шагом, указанным в табл. П3.1, измерять значения выходного напряжения UВЫХ. При появлении нелинейных искажений (когда форма сигнала на экране осциллографа начинает заметно отличаться от гармонической функции) следует делать пометки возле соответствующих значений UВЫХ.

4.Провести измерения для оценивания параметра входного сопротивления усилителя. Для этого, установить частоту входного сигнала на середину полосы

усиления (50 кГц) и такой уровень напряжения UВХ на генераторе, при котором не наблюдалось нелинейных искажений UВЫХ (любое значение примерно из середины динамического диапазона, см. результаты измерений по п. 3). Записать

уровень выходного напряжения в выбранном исходном состоянии: UВЫХ ИСХ. Далее, установить перемычку П1, задающую цепь связи усилителя с источником входного сигнала, в положение 5 (при этом между генератором входного сигнала

ивходом усилителя дополнительно включается сопротивление RДОП=R6) и не меняя установленный ранее уровень UВХ, измерить выходное напряжение при наличии дополнительного сопротивления в цепи генератора и занести это

значение в протокол (UВЫХ ДОП). По окончании измерений вернуть перемычку П1

на место в соответствии с заданной исходной конфигурацией схемы.

5.Провести измерения для оценивания параметра выходного сопротивления усилителя. Для этого оставив частоту и амплитуду входного сигнала такими же, как и в предыдущем пункте, установить перемычку П7, задающую сопротивление

нагрузки, в положение 1, (RН=∞, что соответствует режиму холостого хода), измерить UВЫХ ХХ, и занести это значение в протокол. Значение UВЫХ ИСХ также зафиксировать, оно остается таким же, как в предыдущем пункте. По окончании измерений вернуть перемычку П7 на место в соответствии с исходной конфигурацией схемы.

6.Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя в исходно

заданной конфигурации. Для этого, установив такой же уровень напряжения UВХ на генераторе, как и в предыдущем пункте, следует изменять частоту сигнала с

шагом, указанным в таблице П3.2, и регистрировать значения UВЫХ, заполняя 1-й столбец для UВЫХ табл.П3.2. При задании каждого значения частоты следует проверять, не изменилось ли UВХ, и если изменилось, нужно подстраивать его к исходно заданному уровню, отмеченному в протоколе.

35

7.Исследовать влияние параметров нагрузки на амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для этого, при том же уровне входного сигнала, что и

впредыдущем пункте, подключить комплексную нагрузку (параллельное соединение резистора и конденсатора), установив переключатель П7 в положение 4, и снять АЧХ на частотах, заданных в табл. П3.2. Результаты измерений занести

втабл. П3.2, заполняя ее второй столбец. По окончании измерений вернуть перемычку в первоначальное состояние.

8.Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя, с измененной глубиной местной обратной связи во втором каскаде усилителя, установив перемычку П8 в положение 4. Далее, снять АЧХ по методике, примененной в

предыдущем пункте, сохранив ранее установленное значение UВХ. Результаты измерений занести в таблицу П3.2, заполняя её 3-й столбец для UВЫХ. По окончании измерений вернуть перемычку в первоначальное состояние.

9.Исследовать влияние заданного изменения конфигурации макета усилительного устройства (в соответствии с вариантом задания, см. табл. 3.1) на его амплитудно-частотную характеристику.

Таблица 3.1*

	№	Тип изменения конфигурации	П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7	П8
	вар.
	1	Включение цепи НЧ-коррекции 1-го каскада	3	1	3	1	3	2	3	1
	2	Блокировка местной ООС 1-го каскада	3	3	1	1	3	2	3	1
	3	Блокировка местной ООС 2-го каскада	3	1	1	1	3	3	3	2
	4	Блокировка местных ООС обоих каскадов	3	3	1	1	3	3	3	2
	5	Блокировка общей ООС	3	1	1	3	3	2	3	1
	6	Блокировка местных и общей ООС	3	3	1	3	3	3	3	2

* Полужирным шрифтом отмечены изменения по сравнению с исходной конфигурацией.

Записать в протоколе тип изменения конфигурации и соответствующие ему положения перемычек, далее снять АЧХ по методике, примененной в предыдущих пунктах, сохранив ранее установленное значение UВХ. Результаты измерений занести в таблицу П3.2, заполняя её последний столбец для UВЫХ.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

3.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1.Формулировку цели работы и электрическую схему исследуемого усилителя с подключенными навесными элементами (рис. 3.4), с обязательным указанием номинальных значений электронных компонентов схемы. Данные из столбца таблицы 3.1 для своего номера варианта задания.

2.Формулы (3.1) и (3.2) с необходимыми пояснениями.

36

3. Таблицы с результатами экспериментальных исследований и теоретическими расчетами. Таблицу П3.2 следует дополнить столбцами с рассчитанными параметрами 1) коэффициента усиления KU (по формуле

KU=(10 UВЫХ/UВХ), − здесь множитель 10 учитывает влияние ослабления входного сигнала перед подачей на микросхему и 2) коэффициента усиления,

выраженного в децибелах KU dB=20 Lg(KU) для каждого значения частоты. 4. Графики полученных зависимостей:

-амплитудную характеристику усилителя, построенную по данным табл. П3.1 (по ней также следует определить коэффициент усиления);

-рассчитанные значения входного и выходного сопротивления усилителя, по формулам:

RBХ =	RДОПU ВЫХ ДОП	, RВЫХ	=	RH (U ВЫХ ХХ −U ВЫХ ИСХ )	,
	U ВЫХ ИСХ −U ВЫХ ДОП
				U ВЫХ ИСХ

-семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя KU dB(f) по данным таблицы П3.2, на одном графике (всего окажется 3 графика при различных значениях конфигурации схемы; конфигурация должна быть

подробно расписана для каждого графика в подрисуночной подписи), по оси частот нужно использовать логарифмический масштаб.

5. Выводы по работе (в письменной форме), отражающие наблюдаемые на графиках особенности исследованного каскада, в частности:

-каков динамический диапазон входных сигналов исследованного устройства;

-согласуются ли результаты расчетов RВХ и RВЫХ с теоретическими оценками для маломощных транзисторных каскадов, включенных по схеме ОЭ

-как влияет конфигурация усилителя на его АЧХ (сравнить 3 графика,

указав соответствие между вносимыми в схему изменениями и характером соответствующих изменений АЧХ).

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы.

К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

3.5. Контрольные вопросы

1.Объясните назначение каждого элемента схемы типового усилительного каскада на биполярном транзисторе (рис. 3.1).

2.Перечислите виды межкаскадных связей и дайте их сравнительную характеристику.

3.Объясните назначение отрицательной обратной связи по постоянному и переменному току и схемотехнические способы ее реализации.

4.Изложите методику анализа частотных характеристик усилителя с резистивно-емкостными межкаскадными связями.

5.Перечислите способы изменения коэффициента усиления усилительного каскада на биполярном транзисторе.

37

6.Объясните методику измерения входного и выходного сопротивления электронного устройства.

7.Объясните наблюдаемый характер нагрузочной характеристики.

8.Объясните наблюдаемый характер экспериментально снятой АЧХ усилителя в области низких частот.

9.Объясните наблюдаемый характер экспериментально снятой АЧХ усилителя в области высоких частот.

10.Сравните расчетную и экспериментальную АЧХ, укажите возможные причины их отличия.

11.Перечислите способы низкочастотной коррекции амплитудно-частотной характеристики транзисторных усилителей.

12.Перечислите способы высокочастотной коррекции амплитудночастотной характеристики транзисторных усилителей.

13.Математически поясните переход от формулы (3.1) к формуле (3.2).

14.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 11 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

15.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 2 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

16.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 5 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

17.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 12 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

Библиографический список

1.ДаниловА.А. Прецизионные усилители низкой частоты. М.: Горячая Линия Телеком, 2004. 352 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

3. Схемотехника

аналоговых

электронных

устройств:

Учебник.

/В.Н. Павлов и др. М.: Горячая Линия Телеком, 2001. 320 с.

4.Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник / И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. М.: КУБК-а, 1996. С. 24 - 27.

5.ГринфилдДж. Транзисторы и линейные интегральные схемы: Руководство по анализу и расчету: Пер. с англ. М.: Мир, 1992. 560 с.

6.Чадович И.И. Типовые усилительные каскады: Учеб. пособие. СПб:

РИО ГААП, 1992. 53 с.

7.ЛенкДж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ.

М.: Мир, 1985.

38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 (макет №21)

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА МИКРОСХЕМЕ К174УН4Б

Цель работы: исследование принципов действия, технической реализации и основных характеристик усилителя мощности на микросхеме К174УН4Б.

4.1. Методические указания по подготовке к работе

К усилителям мощности (УМ) обычно относят усилительные устройства с мощностью выходного сигнала более 0.5 Вт. Свойства и характеристики усилителя во многом определяются способом выполнения цепей связи оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. По этому признаку различают бестрансформаторные усилители мощности и усилители мощности с трансформаторным выходом (см. лабораторную работу №5). Бестрансформаторные УМ имеют много достоинств: малые габариты и масса, широкая полоса рабочих частот, и т. д., что предопределило их широкое распространение в тех приложениях, где можно обойтись без трансформаторной связи. Бестрансформаторные усилители со сравнительно небольшой выходной мощностью (до нескольких десятков ватт) в настоящее время выпускаются многими фирмами в виде интегральных микросхем.

Микросхема К174УН4Б (полный отечественный аналог микросхемы TAA300 фирмы “Philips”) представляет собой усилитель мощности диапазона звуковых частот с номинальной выходной мощностью 1 Вт. Принципиальная схема микросхемы приведена на рис. 4.1.

Микросхема выполнена выпускается в корпусе типа 201.9-1. Назначение выводов микросхемы К174УН4Б следующее:

-вывод 1: управление стабилизатором тока;

-вывод 2: для подключения цепи обратной связи;

-вывод 3: "лепесток" для соединения с теплоотводящим радиатором;

-вывод 4: входной сигнал;

-вывод 5: для подключения цепи корректирующего фильтра;

-вывод 6: для подключения цепи вольтодобавки;

-вывод 7: напряжение питания (+9 В);

-вывод 8: выход усилителя мощности;

-вывод 9: общий провод.

Входной каскад усилителя построен по дифференциальной схеме на транзисторах VT3, VT5. Постоянное смещение на базу транзистора VT3 подается через резистор R3. Транзисторы VT1 и VT2 обеспечивают стабилизацию напряжения смещения при воздействии на микросхему дестабилизирующих факторов (изменений температуры, напряжения питания и т. д.).

Выходной сигнал дифференциального каскада поступает на базу транзистора VT6, нагрузкой которого служит двухполюсник, образованный транзисторами VT7, VT8 и резистором R8. Подобная конфигурация нагрузки также стабилизирует коэффициент усиления каскада при изменениях температурного режима микросхемы.

39

Рис. 4.1. Внутренняя структура микросхемы К174УН4Б.

Далее сигнал поступает на каскад, на транзисторах VT9, VT10, соединенных по схеме Дарлингтона, что обеспечивает высокое усиление каскада.

Выходной каскад состоит из двух плеч: верхнее плечо образовано транзисторами VT14, VT15, нижнее транзисторами VT12, VT16. Выходной сигнал образуется за счёт противофазного изменения проводимостей плеч: когда проводимость верхнего плеча увеличивается, то проводимость нижнего уменьшается, и выходное напряжение увеличивается; и наоборот. При этом сквозной ток, протекающий через транзисторы плеч от источника питания схемы, изменяется мало при любой амплитуде выходного сигнала. Такое решение вообще характерно для выходных каскадов бестрансформаторных УМ.

Необходимое противофазное управление плечами выходного каскада обеспечивается каскадом на транзисторе VT11. Действительно, если предположить, что на определенной полуволне входного сигнала коллекторный ток составного транзистора VT9 – VT10, например, увеличился, то это вызовет уменьшение напряжения на коллекторе VT10 (т. е. и на базе транзистора VT14), следовательно, уменьшится базовый ток транзистора VT14; в конечном итоге, уменьшится коллекторный ток транзистора VT15: проводимость верхнего плеча уменьшилась. С другой стороны при увеличении тока транзистора VT10 уменьшится и напряжение и точке соединения резисторов R9 – R10 ( т. е. и на базе транзистора VT11). Транзистор VT11 имеет структуру p-n-p и включен таким образом, что уменьшение положительного потенциала его базы ведет к увеличению разности потенциалов на его базово-эмиттерном переходе, ток его коллектора возрастает, и, как видно из схемы, этот же ток является базовым током для транзистора VT12 в нижнем плече оконечного каскада. В итоге коллекторный ток транзистора VT16 увеличится: проводимость нижнего плеча увеличилась.

40

Номинал резистора R10 определяет порог открывания плеч, и выбран таким образом, что при отсутствии входного сигнала напряжение на нём таково, что базовые токи транзисторов VT14 и VT12 примерно одинаковы и довольно малы по величине. Это означает, что сквозной ток через плечи выходного каскада при отсутствии выходного сигнала будет тоже малым, что обусловливает высокую экономичность работы микросхемы. Транзисторы выходного каскада при этом работают в режиме класса B (подробнее о режимах транзисторов в УМ можно прочитать в теоретической части описания лабораторной работы №5).

Типовая схема включения микросхемы К174УН4Б приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Типовая схема усилителя мощности на основе микросхемы К174УН4Б.

Резистор R14, совместно с внешней цепочкой, подключаемой между выводом 2 микросхемы и общим проводом, образует цепь отрицательной обратной связи с выхода усилителя на базу транзистора VT5. Это позволяет уменьшить уровень нелинейных искажений типа "ступенька", характерные для работы выходного каскада исследуемой микросхемы. Из сравнения рис. 4.1 и 4.2, можно заметить аналогию построения цепи ОС со схемой, применяемой с операционными усилителями (см. лабораторную работу №1). Здесь роль RОС− играет R14, а роль R− внешняя цепочка между выводом 2 и общим проводом (она образована последовательным соединением резистора RОС и конденсатора СОС). Таким образом, чем меньше сопротивление внешней цепочки, тем меньшая часть выходного сигнала подаётся в цепь отрицательной обратной связи, т. е. тем больше будет коэффициент усиления УМ на основе микросхемы К174УН4Б.

Входной сигнал подаётся на микросхему через разделительный конденсатор СР1. Нагрузка усилителя мощности RН может подключаться как между выводом 6 и источником питания, так и через разделительный конденсатор СР2 между выводом 8 и общим проводом. Дополнительные компоненты схемы: конденсатор вольтодобавки СВД, демпфирующая цепь RД – СД, блокировочный конденсатор СБЛ, необходимы для обеспечения устойчивой работы схемы.