Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Рассмотреть работу усилителя в разных режимах работы транзистора: в режиме отсечки, в режиме насыщения и в линейном режиме.

Определить качественные основные показатели усилителя в линейном режиме.

2.СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ.

R_Б1.1

Е1

R_К1

R_К2

R_Б1.2

C2

C_ВЫХ

U_K

Генератор

напряжения

C_ВХ

VT

v

А1

U_ВЫХ

U_Б

R_Э

U_Э

U_ВХ

Y Эл.

X Осцил.

R_Б2

R_н

S1

v

v

C3

3. ОБОРУДОВАНИЕ. Для выполнения лабораторной работы используется стенд для исследования предварительного усилителя, приборы измерительного блока (два амперметра и два вольтметра), электронный осциллограф, регулируемый источник питания Е1 (или Е2, если используется транзистор проводимости p-n-p) и генератор переменного напряжения установки. На панели стенда предварительного усилителя изображена принципиальная схема для проведения исследования с гнёздами подключения измерительных приборов и элементами установки режима работы транзистора и усилителя. Перед сборкой схемы необходимо изучить расположения элементов на стенде и на установке..

Генератор сигналов на отдельной панели с голубым фоном имеет: переключатели дискретной установки пределов частоты, уровня и формы; потенциометры плавной установки частоты и уровня; коаксиальный разъём выхода сигналов; гнездо выхода сигнала синхронизации.

На стенде предварительного усилителя закреплены:

-переключатель коллекторной нагрузки, в лабораторной работе используются два сопротивления R8 и R11;

-две пары гнёзд для подключения амперметров – I_вх, I_к;

-гнёзда для подключения проводников генератора U_вх и для подключения вольтметров (осциллографа) в цепях базы, коллектора и на выходе;

- переключатель в цепи базы S1 для установки режима транзистора, переключатель в цепи эмиттера S2 для подключения блокировочного конденсатора, переключатели в выходной цепи S3 для подключения дополнительного конденсатора, и S4 для подключения сопротивления нагрузки.

Сборка схемы:

-установить напряжение питания схемы +10 В. Контроль напряжения +Е1 осуществляется вольтметром в гнезде Е1 Напряжения устанавливаются потенциометрами Е1 на панели источников питания;

-переключатель S1 (в цепи базового смещения) поставить в положение включено (положение вправо);

-переключатель S2 в цепи эмиттера положение включено (вправо);

-переключатель S3 в цепи выходных конденсаторов выключено (вниз);

-переключатель S4 в цепи нагрузки выключено (влево);

-вставить вилку одного амперметра (А1) в гнёзда «I_вх», а вилку второго амперметра (А2) в гнёзда «I_к»;

-подключить второй вольтметр к гнезду «U_к». Потенциометром R3 в цепи базы транзистора установить напряжение на коллекторе, равное половине напряжения питания.

Подготовить к работе генератор электрических сигналов и осциллограф.

На панели генератора установить:

-переключатель формы в положение «~»;

- переключатель частота – 10² ;

- переключатель предел – 10^-2 (-40дБ);

- ручки плавной установки выходного напряжения и частоты установить в среднее положение.

-Проводник синхронизации осциллографа вставить в гнездо «синхр.» генератора, а сигнальный проводник в гнездо (U_вх) исследуемой схемы.

- Проводником соединить выход генератора с входом исследуемой схемы. Установить устойчивое изображение на экране осциллографа в режиме внешней синхронизации, выбирая масштабный коэффициент вертикального отклонения осциллографа таким образом, чтобы изображение занимало более половины размера по вертикали. Реально это возможно в положении переключателя вертикального отклонения (0,02-.0,05 ). На осциллографе в блоке развёртки установить переключатель в положение . На генераторе потенциометром «частота плавно» установить период повторения, равный одному делению (10 периодов на экране), что соответствует частоте повторения 1кГц.

-Сигнальный проводник осциллографа вставить в гнездо (U_вых). Потенциометром R3 в цепи базы транзистора на стенде и регулятором выходного напряжения на генераторе добиться линейного режима работы транзистора. Линейный режим на экране осциллографа определяется при максимальном выходном сигнале по незначительным симметричным ограничениям сверху и снизу гармонического сигнала. На этом можно считать, что схема подготовлена для проведения измерений с коллекторным сопротивлением R8.

Для проведения измерений с коллекторным сопротивлением R11 необходимо переключатель в цепи коллектора установит в положение R11 и осуществить действия установки линейного режима.

Измерения переменного напряжения на входе (U_вх) и выходе (U_вых) усилителя проводить с помощью осциллографа. Весь размах осциллограммы на экране равен двойной амплитуде напряжения (2U_m). Определяется путём умножения количества делений на шкале вертикального отклонения на масштабный коэффициент. Вычисление действующего значения напряжения гармонического сигнала, который не имеет ограничения, осуществлять по формуле :

U = .

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Снять амплитудно-передаточную характеристику (АПХ) U_вых= ¦ (U_вх) для двух значений сопротивлений в цепи коллектора R8 и R11 без сопротивления внешней нагрузки R13 и с сопротивлением внешней нагрузки, переключатель S4 в положении вправо. Частоту входного сигнала установить равной 1000 Гц. Результаты измерений записать в таблицу 1. Максимальное входное напряжение для каждого случая выбирать таким, при котором наступает ограничение сигнала. Это значение записать в графу (U_mмакс). В последнюю графу записать значение напряжения в два раза больше максимального. В таблице (2U_m) записывать значения полного размаха изображения на экране осциллографа, а в графу (U) записывать расчётное значение U=. Дискретность напряжений от 0 до 2U_mмакс на входе равномерная. Шаг дискретности определяется выражением . Расчётные значения записываются в графу 2U_mвх. Установка переменного напряжения на входе («U_вх») по расчетным значениям и измерение на выходе («U_вых») усилителя проводить с помощью осциллографа. Весь размах осциллограммы на экране равен двойной амплитуде напряжения (2U_m), которое высчитывается умножением количества делений по вертикали на масштабный коэффициент .

Таблица 1.

R8 без R13	2Umвх	0						2Um макс
	U, В
	2Umвых
	U, В
R8 с R13	2Umвх							2Umмакс=
	U, В
	2Umвых
	U, В
R11 без R13	2Umвх							2Umмакс=
	U, В
	2Umвых
	U, В

Дискретность напряжений от 0 до U_МАКС на входе равномерная. Шаг дискретности определяется выражением .

Построить АПХ в одних осях координат для всех случаев. Зарисовать осциллограммы выходных сигналов при работе усилителя в линейном режиме и в режиме ограничения.

4.2. Снять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) в линейном режиме с коллекторным сопротивлением R8. АЧХ снимается для трёх случаев: при разных значениях ёмкости выходных конденсаторов (С_ВЫХ1 и С_ВЫХ1+ С_ВЫХ2); в третьем опыте снять АЧХ при отключенном конденсаторе в цепи эмиттера Сэ с выходным конденсатором (С_ВЫХ1+ С_ВЫХ2). Входное напряжение необходимо установить таким, чтобы выходное напряжение на экране осциллографа не имело искажений. Входное напряжение устанавливается преподавателем. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 2.

Таблица 2

	f, кГц	0,02	0,04	0,1	0,4	1,0	2,0	5,0	10,0	20,0
	lg f,	1,3	1,6	2.0	2,6	3,0	3,3	3,7	4,0	4,3
СВЫХ1	Uвых, В
	К
	К[дБ]
СВЫХ1+ СВЫХ2	Uвых, В
	К
	К[дБ]
СВЫХ1+ СВЫХ2 Без СЭ	Uвых, В
	К
	К[дБ]

Коэффициент усиления вычислять по формуле

К =,

и перевести в международные стандартные величины

К_дБ=20lg K.

Построить все три графика АЧХ в едином масштабе амплитуд и частот. Координаты частотной оси выбирать в логарифмическом масштабе.

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА:

-Наименование и цель работы.

-Схему исследования усилителя с приборами для измерения входных напряжений, выходных напряжений, коллекторных и входных токов.

-Таблицу с результатами измерений.

-Характеристики U_ВЫХ = (U_ВХ), U_вых= (lg).

-Ответы на контрольные вопросы.

-Выводы по работе.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

-Пояснить назначение элементов схемы усилителя.

-Как регулируется в схеме положение рабочей точки?

-Почему резко уменьшается усиление при отключении конденсатора С_Э?

-Какие элементы схемы усилительного каскада влияют на вид АЧХ?

-Какой параметр оценивает нелинейные искажения усилителя?

-По каким основным параметрам выбирают транзистор для каскада предварительного усиления?

-Как будет работать предварительный усилитель, если радиомонтажник не запаяет в него резистор R_Э?

-Изменится ли режим работы транзистора, если произойдет обрыв конденсатора С_Э?

-Как выбирают элементы делителя R1, R2?

-Что произойдет со схемой усилительного каскада, если закоротить конденсатор С_ВЫХ?

Бланк отчёта по лабораторной работе приведён в приложении 5.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

В настоящее время операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий в частотной полосе от нуля до нескольких сотен килогерц коэффициент усиления по напряжению К_U10⁴. Термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соответствующими обратными связями применялись для моделирования математических операций (интегрирование, суммирование и т. д. ). Появление ОУ в виде интегральных схем (ИС), имеющих относительно низкую стоимость и высокие технические характеристики, привело к тому, что ОУ очень быстро стал наиболее широко применяемой, универсальной аналоговой ИС.

Выпускаемые промышленностью микросхемы ОУ не обладают идеальными параметрами, поэтому на стадии разработки рассчитываются цепи коррекции и предусматриваются конструктивно выводы для подключения дополнительных цепей. Необходимость подключения этих цепей возникает для коррекции частотной характеристики усилителя, для балансировки входного каскада, регулировки уровня выходного напряжения, защиты от перегрузки входных и выходных цепей. Схемы дополнительных цепей и их параметры приводятся в руководствах по применению ОУ. Для улучшения параметров ОУ могут применяться дополнительно каскады во входных, выходных цепях и в цепях питания. В совокупности такие устройства обладают свойствами ОУ, поэтому при анализе в структурных схемах эта совокупность имеет один элемент в условно — графическом обозначении ( УГО ), представленных на рис. 1.

Схема имеет один выход U_ВЫХ и два входа: U1_ВХ – инвертирующий, U2_ВХ – прямой ( не инвертирующий ). Изображение выводов питания (+ Е) и (–Е) на схеме не приводятся.

Свойства операционных усилителей.

1. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход , равно напряжению, подаваемому на не инвертирующий вход U1_ВХ = U2_ВХ, то напряжение на выходе равно нулю U_ВЫХ = 0.

2. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход , больше напряжения, подаваемого на не инвертирующий вход U1_ВХ  U2_ВХ, то напряжение на выходе будет отрицательным U_ВЫХ  0.

3. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход , меньше напряжения, подаваемого на не инвертирующий вход U1_ВХ  U2_ВХ, то напряжение на выходе будет положительным U_ВЫХ  0.

4. Если выход соединён с инвертирующим входом через линейную цепь, то образуется отрицательная обратная связь ( ООС ).

5. Если выход соединён с не инвертирующим входом через линейную цепь, то образуется положительная обратная связь ( ПОС ).

6. Линейный режим будет в том случае, когда выходное напряжение больше отрицательного максимального напряжения, но меньше положительного максимального напряжения. В реальных ОУ предельное значение выходного напряжения U_{ВЫХ.МАКС} = ( 0,9  0,95 )Е. При анализе устройств на ОУ принимают U_{ВЫХ.МАКС} =  Е.

7. При наличии ООС в линейном режиме (  Е2  U_ВЫХ  +Е1) напряжение на инвертирующем входе повторяет потенциал неинвертирующего входа с погрешностью  = .

Параметры операционных усилителей.

Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Система параметров, приводимая в справочниках, позволяет оценить эти свойства и определить режимы, в которых может использоваться ИМС.

Ток потребления I_ПОТ. указывается для максимальных значений напряжений источников питания +Е и –Е. ЭДС питания и потребляемый ток позволяют выбрать двухполярный источник питания по напряжению и мощности. Параметры К_U, R_ВХ и R_ВЫХ характеризуют усилительные свойства ИМС. Входные параметры, определяемые первым каскадом ОУ: i_ВХ , i_ВХ , R_ВХ , U_ВХ , U_СМ, позволяют правильно выбрать схему согласования с источником сигналов:

i_ВХ – входной ток или ток утечки каждого входного электрода;

i_ВХ – разность входных токов;

R_ВХ – входное сопротивление между входными электродами (дифференциальный вход );

U_ВХ – предельные напряжения на входах и между входами, при отсутствии этих параметров в паспортных данных их принимают равными Е;

U_СМ – напряжение смещения нуля. В реальных ОУ режиму U_ВЫХ = 0 соответствует ненулевое напряжение (U1_ВХ  U2_ВХ) = U_СМ  0.

Выходные параметры U_ВЫХ , R_ВЫХ позволяют согласовать ОУ с нагрузкой.

Кроме указанных параметров, в справочных данных приводятся коэффициент ослабления синфазных сигналов К_ОС.СФ.. и граничная частота .  – это частота, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы.

Несмотря на то, что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилительных устройств, непосредственно в качестве усилителя не применяется. Это связано с двумя причинами: ограниченный участок характеристики и сильная зависимость от внешних условий.

На рис. 2 представлена передаточная характеристика, из которой следует, что на участке АОС линейный режим по входу ограничен весьма малым напряжением U_ВХ = и составляет доли милливольта. При увеличении сигнала за эти границы выходное напряжение не изменяется, т.е. наблюдаются ограничение по входу на уровне U_ВХ = U_огр.

Коэффициент усиления ОУ – К_U меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах и очень сильно зависит от внешних условий, в первую очередь от температуры , что обусловлено сильной зависимостью от температуры () транзисторов, входящих в состав ИМС.

Схемы на ОУ используют обратные связи, которые определяют выполняемую функцию. Обратная связь (ОС) – это линейная или нелинейная цепь , передающая сигнал с выхода усилителя на вход (рис. 3 ). Если фаза сигнала с выхода цепи обратной связи совпадает с фазой сигнала источника сигналов ( ИС ), то сигнал на входе усилителя состоит из суммы напряжений U_ВХ= U_Г + U_ОС. Такая связь называется положительной обратной связью (ПОС). Если сигналы источника и обратной связи в противофазе , то сигнал на входе усилителя состоит из разности напряжений U_ВХ= U_Г  U_ОС . Такая связь называется отрицательной обратной связью ( ООС ).

К = – передаточный коэффициент устройства в целом. Знак () для ПОС, знак (+) для ООС. Если К_U, то передаточный коэффициент устройства с ПОС определится выражением

К= , а устройства с ООС K =.

С ПОС передаточный коэффициент отрицательный. Это означает, что устройства с ПОС обладают свойствами генератора. Следовательно ПОС применяется в формирователях электрических сигналов, амплитудно-временные параметры которых определяют только параметры цепи обратной связи.

Передаточный коэффициент устройств с ООС показывает, что устройство выполняет функцию цепи обратной связи и практически не зависит от параметров усилителя. Устройства с ООС создают высокую устойчивость и стабильность работы устройства, линеаризирует передаточную характеристику, уменьшает влияние относительной нестабильности амплитудно – частотной характеристики и нестабильности фазового сдвига в ( 1 +  К_U ) раз.

Линейные усилители напряжения строятся по двум схемам. На рис. 4 представлена схема инвертирующего усилителя, а на рис. 5 – схема неинвертирующего усилителя

Cвойства инвертирующего усилителя:

1. Усилитель имеет малое входное сопротивление R_ВХ = R1 << R_ВХ.ОУ

2. Коэффициент усиления не зависит от свойств ОУ и равен К = 

3. Напряжение на выходе изменяет полярность и фазу входного сигнала.

4. Коэффициент передачи усилителя без дополнительных элементов может устанавливаться за счёт изменения параметров R2 и R1 в пределах от 0 до К_U.

5. Точка нулевого потенциала позволяет осуществлять аналоговое суммирование напряжений без взаимного влияния источников сигналов.

Эти свойства справедливы в том случае, когда ОУ будет в линейном режиме (Е2U_ВЫХ+Е1). Напряжение на инвертирующем входе равно нулю. Если входное напряжение выводит из линейного режима ОУ, то уровень ограничения по входу может быть найден из выражения U_ВХ.ОГР = . В режиме ограничения напряжение на инвертирующем входе повторяет входное напряжение.