Масленников Основы шемотехники електронных цепей

В макете расположен встроенный генератор прямоугольных импульсов, необходимый при исследовании импульсных параметров усилительных каскадов. Встроенный генератор имеет два фиксированных значения частоты ВЧ и НЧ, предназначенные соответственно для определения tф и усилительного каскада. Переклю-

чение режима работы генератора осуществляется с помощью тумблера «ВЧ – НЧ».

При исследовании каскадов при синусоидальных сигналах следует использовать внешний генератор. Визуальное наблюдение сигналов и их измерения производятся с помощью осциллографа и цифрового вольтметра.

Все необходимые соединения в макете производятся с помощью П-образных перемычек.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.Изучить описание лабораторной работы.

2.Ответить на контрольные вопросы.

3.Рассчитать потенциалы на коллекторе, базе и эмиттере транзистора каскада с общим эмиттером, учитывая, что коллекторный ток, обеспечивающий максимальный динамический диапазон, определяется по формуле:

	Iк		Eп		.
		Rк	Rэ	Rк Rн
	(Выбрать Rк Rн 10 кОм и Rэ			2 кОм.)

При расчетах использовать также формулы (2.1), (2.3) и учитывать, что на открытом эмиттерном переходе транзистора падает напряжение примерно равное 0,6 В.

4. Рассчитать параметры каскада в области средних частот							Rвх
и KU		при	Rг	1 кОм и трех значениях сопротивлений нагрузки:
Rн		, Rн	10; 1 кОм, полагая при этом, что потенциометр в ба-
зовой		цепи транзистора VT1 стоит в			среднем положении,		т.е.
R1	33,7 кОм, а R2 30,6 кОм. Учесть при этом, что использует-
ся	транзистор			КТ 312В, параметры	которого	50	200
( ср		80), rб		100 Ом.
				41

5. Рассчитать в области низких частот (больших времен) посто-

янную	времени н	и нижнюю	граничную частоту fн при
Rн 10 кОм для двух наборов разделительных и блокирующих
конденсаторов:
C1	0,1 мкФ, C2	1,0 мкФ, Cэ	50,0 мкФ;
C1	1,0 мкФ, C2	1,0 мкФ, Cэ	50,0 мкФ.

6. Рассчитать в области высоких частот (малых времен) посто-

янную времени каскада в ,	верхнюю граничную частоту fв и
время нарастания фронта tф	при	Rн 10 кОм для трех значений
емкости нагрузки:
Cн 100 пФ, Cн 500 пФ, Cн		1000 пФ.

Учесть при этом, что для транзистора КТ312В следует принять fa 100 МГц, Cк 5 пФ.

7. Для схемы эмиттерного повторителя рассчитать в области

низких частот (больших времен) постоянную времени	н	и ниж-

нюю граничную частоту fн при Rн 10 кОм и емкостях разделительных конденсаторов:

C1	0,1 мкФ, C2	1,0 мкФ;
C1	1,0 мкФ, C2	1,0 мкФ.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Подготовить рабочее место и макет к исследованию:

клеммы «Земля» всех необходимых приборов, макета, «–» источника питания соединить с помощью специального провода;

соединить с макетом клемму «+» источника питания; включить все необходимые приборы; установить напряжение питания макета +10 В.

2.При помощи перемычек осуществить в макете все необходимые соединения (Rн= , конденсатор Сэ не подключен).

3.Потенциометр регулировки Uб установить в среднее положение. Подать на клемму Uг макета с генератора синусоидальный сигнал частотой 10 кГц. Увеличивая амплитуду входного сигнала, с помощью осциллографа наблюдать на выходе каскада появление нелинейных искажений. Изменяя режим каскада потенциометром,

42

наблюдать и зарисовать различные нелинейные искажения на выходе (одновременное ограничение сигнала сверху и снизу, ограничение только сверху и только снизу).

4. Установить режим наибольшего неискаженного сигнала на выходе. Определить с помощью осциллографа и цифрового вольтметра величину максимального неискаженного выходного сигнала и KU каскада при трех значениях Rн , 10 кОм, 1 кОм.

5. Отключить генератор от макета. Измерить постоянное напряже-
ние на коллекторе. Установить на коллекторе значение напряже-
ния, рассчитанное при подготовке к работе. Измерить напряжения
на базе и эмиттере. Подсоединить конденсатор Сэ .и генератор си-
нусоидального сигнала. С помощью осциллографа и цифрового
вольтметра определить величину максимального неискаженного
выходного сигнала при Rн					10 кОм.
6. Измерить KU			каскада в области средних частот (f = 10 кГц)
при Rн	, Rн	10 кОм;			Rн		1 кОм.
7. Измерив Uвх (переменное напряжение на входе каскада) и U г
(напряжение на выходе генератора), определить Rвх :
		R		Uвх			R	, ( Rг	1 кОм ).
		вх	Uг				г
					Uвх
Измерив Uхх (выходное напряжение холостого хода при Rн											)
и Uн (напряжение на выходе при Rн 10 кОм), определить Rвых:
	Rвых			Rн	Uхх		1 , ( Rн		10 кОм).
					Uн
8. Снять	АЧХ			при		C1		C2	1,0 мкФ,	Cэ 50мкФ,
Rн 10 кОм, Cн		100 пФ.
9. Определить нижнюю граничную частоту fн										для двух значе-
ний C1: 0,1 и 1,0 мкФ ( Rн					10 кОм).

10. Определить верхнюю граничную частоту при трех значениях Cн : 100, 500, 1000 пФ (100 пФ – входная емкость измерительного прибора, Rн 10 кОм).

43

11. Используя в качестве U г импульсный генератор, встроенный в макет (тумблер в положении «ВЧ»), определить tф и рассчи-

тать в при трех значениях Cн : 100, 500, 1000 пФ.
12. Используя тот же генератор в режиме «НЧ», измерить			н	и
для двух значений C1: 0,1 и 1,0 мкФ.
При малом спаде плоской вершины определить	н	по формуле:

нTи , для этого измерить Tи и .

13.Собрать на макете схему эмиттерного повторителя, шунтируя перемычкой сопротивление Rк и отключив конденсатор Сэ .

Измерить KU		каскада в области средних частот (f = 10 кГц) при
Rн	, Rн 10 кОм; Rн		1 кОм.
Определить		fн для	двух значений C1: 0,1 и 1,0 мкФ
( Rн	10 кОм)	и fв ( Rн	10 кОм, Cн 100 пФ). Сравнить их с

аналогичными параметрами для схемы с общим эмиттером.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Нарисуйте типовую схему усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ).

2.Укажите назначение основных элементов схемы усилительного каскада ОЭ.

3.Что такое рабочая точка?

4.Нарисуйте элементы схемы усилительного каскада, обеспечивающие режим транзистора по постоянному току.

5.Нарисуйте коллекторные характеристики транзистора и покажите на рисунке выбор рабочей точки.

6.Как изменится режим транзистора, если каждое из сопротивлений поочередно либо уменьшить, либо увеличить?

7.Дайте определение основным параметрам усилительного кас-

када.

8.Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику усилителя.

9.Назовите причины появления линейных и нелинейных искажений в усилительном каскаде.

44

10.Какими элементами определяется нижняя граничная частота каскада?

11.Какими элементами определяется верхняя граничная частота каскада?

12.Нарисуйте переходную характеристику усилителя в области больших времен и назовите параметры, характеризующие переходные искажения.

13.Какими элементами схемы определяется спад плоской вершины импульса?

14.Нарисуйте переходную характеристику каскада в области малых времен и назовите параметры, характеризующие переходные процессы.

15.Какими элементами схемы определяются переходные процессы в области малых времен?

16.Как можно повысить коэффициент усиления каскада ОЭ?

17.Как изменится коэффициент усиления по напряжению каскада ОЭ, если отключить конденсатор Сэ ?

18.Как проявляются нелинейные искажения в усилителе?

19.Нарисуйте амплитудную характеристику усилителя и покажите, как определяется динамический диапазон.

20.Нарисуйте схему эмиттерного повторителя (ЭП).

21.Нарисуйте элементы схемы ЭП, обеспечивающие режим транзистора по постоянному току.

22.Чем определяется входное сопротивление ЭП?

23.Почему коэффициент усиления по напряжению ЭП мень-

ше 1?

24.Чем определяется выходное сопротивление ЭП?

25.Сравните основные параметры каскадов с ОЭ и ЭП.

26.Чему равно UВЫХ и UБ в схеме на рис. 2.9 (β = 50)?

27.Чему равно UБ и UК? В каком режиме работает транзистор в

схеме на рис. 2.10?

28.Рассчитайте напряжение на выводах транзистора UБ, UЭ и UК

(рис. 2.11).

29.Какова связь частотных и импульсных параметров?

45

Рис. 2.9

Рис. 2.10

Рис. 2.11

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и циф-

ровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с.

3.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с.

4.Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с.

5.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.1. – 2008. – 827 с.

46

Р а б о т а 3

УСИЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМ ОУ

Цель: изучение характеристик и параметров интегральных операционных усилителей и исследование цепей, выполненных на их основе.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время большинство электронных устройств можно выполнить на основе полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковой интегральной микросхемой (ИМС) является микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и изготовляемое групповым методом в приповерхностном слое полупроводника. В ИМС полупроводниковые элементы, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов и изготовляемые одновременно по интегральной технологии, разделены специальной изоляцией друг от друга внутри микросхемы и связаны между собой слоями металлизации, наносимыми на поверхность полупроводника.

Большинство аналоговых электронных устройств, т.е. устройств, работающих с непрерывно изменяющимися во времени электрическими сигналами, можно выполнить на основе кремниевых микросхем операционных усилителей (ОУ), которыми принято называть усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенные главным образом для использования в цепях с отрицательной обратной связью. ОУ являются наиболее универсальными и многофункциональными аналоговыми микросхемами, которые широко используются в различных электронных устройствах, служащих для преобразования, генерации и обработ-

47

ки сигналов. В лабораторной работе исследуются различные усилители, выполненные на основе микросхем ОУ.

Краткие сведения о микросхемах ОУ

ОУ (рис. 3.1), выполненный в виде полупроводниковой интегральной микросхемы, обычно имеет дифференциальный вход и один выход. Один из входов ОУ – инвертирующий, другой – неинвертирующий. При подаче сигнала положительной полярности на инвертирующий вход на выходе появляется сигнал отрицательной полярности; при подаче сигнала положительной полярности на неинвертирующий вход на выходе появляется сигнал также положительной полярности.

Рис. 3.1. Обозначение операционного усилителя в схемах: 1 – инвертирующий вход; 2 – неинвертирующий вход; 3 – выход

Для приведенной схемы U3 K(U2 U1) , где К – коэффициент усиления ОУ. В интегральных ОУ обеспечивается большой коэффициент усиления по постоянному току ( K 104 ), большое вход-

ное ( Rвх 106 Ом) и малое выходное ( Rвых 103 Ом) сопротивления.

Интегральный ОУ обычно состоит из двух-трех усилительных каскадов, причем первый каскад является дифференциальным, усиливающим разность входных сигналов. Схема простейшего дифференциального усилительного каскада на n-p-n транзисторах приведена на рис.3.2. Основными транзисторами, обеспечивающими усиление разности двух входных напряжений U1 и U2 , явля-

ются транзисторы T1 и T2 . Режимный ток в транзисторы T1 и T2 задается от генератора постоянного тока, выполненного на транзисторе T3 и резисторах R3 R5 . Выходной сигнал, усиленный транзисторами T1 и T2 , снимается с равных коллекторных сопротивлений R1 R2 R . Питание усилительного каскада осуществляется

48

случае Uвых

от двух источников постоянного напряжения E1 и E2 (обычно

E1 E2 ).

Рис. 3.2. Схема дифференциального усилительного каскада

Следует отметить, что при присоединении обоих входов транзисторов T1 и T2 к общей шине («земле») напряжение на выходе,

измеряемое между коллекторами транзисторов T1 и T2 , будет близко к нулю. Это связано со свойствами интегральных транзисторов T1 и T2 , а также резисторов R1 и R2 , которые благодаря их

исполнению в едином технологическом процессе на одном кристалле полупроводника, одинаковой геометрии и близкому расположению имеют практически одинаковые параметры. Именно поэтому коллекторный ток транзистора T3 делится практически на

две равные части: эмиттерные токи транзиторов T1 и T2 равны половине тока коллектора транзистора T3 . Коллекторные токи транзисторов T1 и T2 , практически равные эмиттерным токам ( >> 1), протекая по равным сопротивлениям R1 , R2 , создают одинаковые напряжения на коллекторах транзисторов. Поэтому в идеальном

Uк1 Uк2 будет равно 0.

Ситуация не изменится, если мы подадим на входы дифференциального каскада равные напряжения U1 и U2 : ток транзистора

49

T3 из-за симметрии схемы будет также делиться пополам. Если одно из положительных напряжений будет больше другого (на-

пример,	U1	U2 ), то коллекторный ток транзистора T1 будет
больше коллекторного тока транзистора T2 . Расчет показывает, что
при U1	U2	0,1 В коллекторный ток транзистора T1 уже более,

чем в 54 раза превышает ток транзистора T2 , который, в свою очередь, составит всего 1,8 % от коллекторного тока транзистора T3 . Разность токов транзисторов T1 и T2 обеспечивает появление на-

пряжения на выходе дифференциального каскада.

В качестве выходного каскада в интегральном ОУ обычно используется каскад, содержащий эмиттерный повторитель. Простейший вариант такого каскада, выполненного на транзисторах n- p-n ( T1 и T3 ) и транзисторе p-n-p ( T2 ) приведен на рис. 3.3. (Обо-

значение источников питания E1 и	E2 по сравнению со схемой
на рис.3.2 упрощено.)
На транзисторе T3 реализован каскад с общим эмиттером, кото-
рый управляет токами транзисторов T1	и T2 . Диоды Д1 и Д2 , на-

ходящиеся все время в открытом состоянии (через них протекает режимный ток транзистора T3 ), обеспечивают при отсутствии

входного сигнала работу транзисторов T1 и T2 в активной области. Если на вход подана отрицательная полуволна синусоидального напряжения, на коллекторе транзистора T3 она инвертируется, транзистор T1 открывается, и ток в нагрузку протекает от источника E1 (ток I1 на рис. 3.3). При подаче положительной полуволны открывается транзистор T2 , и ток в нагрузку протекает от источника напряжения E2 (ток I 2 на рис. 3.3).

Схема интегрального операционного усилителя кроме входного

ивыходного каскадов (каждый из которых выполняется по более сложным схемам, чем приведенные на рис. 3.2 и 3.3) содержит дополнительно источники постоянного напряжения и тока, цепи смещения, коррекции, защиты от перегрузок и коротких замыканий

ит.д.

50