Свойства не инвертирующего усилителя.

1. Входное сопротивление определяется входным сопротивлением ОУ R_ВХ = R_ВХ.ОУ.

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

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

4. Минимальный коэффициент передачи равен единице при R2=0, или R1=. На рис. 6 представлена схема, которая часто применяется в качестве согласующих устройств, имеющих большое входное и малое выходное сопротивление. Выходное напряжение повторяет входное напряжение без искажений в линейном режиме U_ВЫХ =U_ВХ .

Указанные свойства выполняются в том случае, когда ОУ будет в линейном режиме (ЕU_ВЫХ+Е). При этом напряжение на инвертирующем входе повторяет входное напряжение, а выходной сигнал повторяет полярность и фазу входного. Если под действием входного сигнала ОУ выйдет из линейного режима, то произойдёт ограничение. Ограничение по входу определяются выражением U_ВХ.ОГР = . При входных напряжениях U_ВХ U_ВХ.ОГР напряжение на выходе будет постоянным и равным U_ВЫХ =  Е , а напряжение на инвертирующем входе при этом будет также постоянным и равным U_ИНВ = U_ВХ.ОГР.

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить работу инвертирующего и неинвертирующего усилителя на ОУ. Снять передаточные характеристики.

3. СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ.

3. ОБОРУДОВАНИЕ. Для выполнения лабораторной работы используется стенд для исследования операционного усилителя, приборы измерительного блока (два амперметра и два вольтметра, регулируемые источники питания (+Е1) и (-Е2) и встроенные в стенде источники постоянного и переменного напряжений. На панели стенда операционного усилителя изображена принципиальная схема для проведения исследования с гнёздами подключения измерительных приборов и элементами регулирования баланса, установки заданного коэффициента усиления. А также элементы управления блока электрических сигналов (БЭС). Перед сборкой схемы необходимо изучить расположения элементов на стенде.

В верхней части стенда встроены:

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

-переменные сопротивления R1 и R2 для установки заданного коэффициента усиления;

-потенциометр R3 установки баланса ОУ;

-гнёзда для подключения вольтметров во входных цепях U_{вх инв} и U_{вх неинв} и на выходе U_вых;

-переключатель входной цепи «инвертирующий- неинвертирующий»;

-переключатель режима работы – в данной работе используется режим линейного усиления в инвертирующем и неинвертирующем режимах.

В нижней части стенда органы управления блока электрических сигналов (БЭС):

-включатель напряжения питания на схему сигналов;

-потенциометр установки уровня входного напряжения ОУ « U_вх»;

-переключатель вида напряжений – положительного, отрицательного, прямоугольной формы, симметричной треугольной формы; Напряжения источника сигналов подаются на переключатели во входных цепях исследуемого усилителя.

-гнёздо «синхр» для подключения канала синхронизации осциллографа.

Сборка схемы:

-установить напряжение питания схемы ±10 В. Контроль напряжения +Е1 осуществляется вольтметром в гнездах «+Е1» и «–Е2» стенда. Напряжения устанавливаются потенциометрами Е1 и Е2 на панели источников питания;

-Подключить питание к источникам сигналов переключателем «Вкл». Проверить пределы регулирования постоянных напряжений. Для этого проводник вольтметра V1 вставить в гнездо «U_вхинв», переключатель в схеме ОУ поставить в положение «инвертирующий», переключатель (БЭС) – в положение «+», а затем «-». Проверить изменения напряжения при регулировании потенциометром «U_вх». Пределы изменения напряжения от 0 до +4 В или от 0 до -4 В с погрешностью ±40%. Установить напряжение, равное нулю.

-При исследовании не инвертирующего усилителя переключатель в схеме ОУ поставить в положение «не инвертирующий», а вольтметр V1 подключить в гнездо «U_{вхнеинв}»_. Проверить изменения напряжения при регулировании потенциометром «U_вх». Пределы изменения напряжения от 0 до +4 В или от 0 до -4 В с погрешностью ±40%. Установить напряжение, равное нулю.

-Вставить в гнезда «I_вх» и «I_ос» вилки амперметров А1 и А2;

-Второй вольтметр V2 подключить к гнезду «U_вых»;

-Потенциометром R3 установить напряжение на выходе, равное нулю ( эта операция называется «балансировка ОУ»;.

Схема готова для проведения исследования в статическом режиме.

Для исследования в динамическом режиме в качестве измерителя используется осциллограф вместо вольтметров V1 и V2. Для исследования инвертирующего и неинвертирующего усилителей в динамическом режиме необходимо на вход подавать переменный сигнал. Для этого:

-Переключатель формы установить в положение сигнала симметричной треугольной формы;

- Кабель входа «Х» подключить к гнезду «синхр» БЭС;

-сигнальный кабель входа вертикального отклонения «Y» при снятии осциллограмм на входе подключить к гнезду «U_вхинв» или «U_{вхнеинв}», осциллограммы на выходе снимать с гнезда «U_вых».

При измерении осциллографом определять количество клеток полного размаха, равного двойной амплитуде сигнала, и умножить на масштаб «».

При выполнении лабораторной работы в режиме пропорционального усиления необходимо установить заданный коэффициент (К) с помощью сопротивлений R1 и R2. Для этого выбирается постоянное входное напряжение из условия U_вх  , которое контролируется вольтметром V1. Постоянное напряжение устанавливается переключателем формы в положение «+U_вх» или «U_вх». Изменением величины сопротивлений R1 и R2 установить напряжение на выходе, равное U_вых= U_вхК. При этом желательно, чтобы входной ток был минимальным.

Например. Необходимо установить коэффициент К=3. Выбираем величину входного напряжения U_вхВ. Более удобным будет, если выбрать входное напряжение U_вх= 1В. Установить сопротивление R1 максимальным, при этом будет минимальный входной ток. Изменением сопротивления R2 установить выходное напряжение равное 3В. Если напряжение 3В не устанавливается, то это напряжение устанавливается изменением сопротивления R1 при минимальном сопротивлении R2. После установки заданного коэффициента усиления необходимо повторить операции по балансировке ОУ.

При установлении коэффициента усиления К=10 установить U_вх = 0,5 В, а на выходе 5В. После установки коэффициента усиления необходимо проверить балансировку операционного усилителя. Для этого установить напряжение на входе равное нулю U_вх=0 и сопротивлением R_см установить напряжение на выходе также равное нулю.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Провести исследования инвертирующего усилителя. В статическом режиме необходимо провести измерения в заданном диапазоне постоянных входных напряжений при заданных коэффициентах усиления.

Установить коэффициент усиления К=3. Провести измерения, и результаты измерений для коэффициента К=3 записать в таблицу 1.

Таблица1

UВХ.,В	3,5	3	2,5	2	1,5	1	0,5	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5
UВЫХ, В
IВХ, мА
IОС, мА

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе усилителя при входном сигнале симметричной треугольной формы. Установить амплитуду входного сигнала U_mвх = 2 В. При измерении осциллографом определять количество клеток полного размаха, равного двойной амплитуде сигнала, и умножить на масштаб «».

Установить коэффициент усиления К=10. Провести измерения, и результаты измерений для коэффициента К=10 записать в таблицу 2.

Таблица 2.

UВХ.,В	3,5	3	1,5	1	0,8	0,5	0,3	0	0,3	0,5	0,8	1	1,5	3	3,5
UВЫХ, В
IВХ, мА
IОС, мА

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе усилителя при входном сигнале симметричной треугольной формы. Установить амплитуду входного сигнала U_mвх = 2 В. При измерении осциллографом определять количество клеток полного размаха, равного двойной амплитуде сигнала, и умножить на масштаб «».

4.2.Провести исследования неинвертирующего усилителя. Переключатель режима установить в положение «неинвертирующий». Вход вольтметра V1 подключить к гнезду «U_{вхнеинв}». Провести измерения в заданном диапазоне входных напряжений. Установить коэффициент усиления К=3. Провести измерения, и результаты измерений для коэффициента К=3 записать в таблицу 3.

Таблица 3.

UВХ.,В	3,5	3	2,5	2	1,5	1	0,5	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5
UВЫХ, В
IВХ, мА
IОС, мА

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе усилителя при входном сигнале симметричной треугольной формы. Установить амплитуду входного сигнала U_mвх = 2 В. При измерении осциллографом определять количество клеток полного размаха, равного двойной амплитуде сигнала, и умножить на масштаб «».

Установить коэффициент усиления К=10. Провести измерения, и результаты измерений для коэффициента К=10 записать в таблицу 4.

Таблица 4.

UВХ.,В	3,5	3	1,5	1	0,8	0,5	0,3	0	0,3	0,5	0,8	1	1,5	3	3,5
UВЫХ, В
IВХ, мА
IОС, мА

Зарисовать осциллограммы на входе и выходе усилителя при входном сигнале симметричной треугольной формы. Установить амплитуду входного сигнала U_mвх = 2 В. При измерении осциллографом определять количество клеток полного размаха, равного двойной амплитуде сигнала, и умножить на масштаб «».

По данным таблиц построить передаточные характеристики в единой системе координат.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Какие усилители называются операционными?

2.Как рассчитывается коэффициент передачи инвертирующего и неинвертирующего усилителя на ОУ?

3.Область применения ОУ.

4.Маркировка ОУ в микросхемах.

5.Указать идеальные параметры ОУ.

6.В чем заключаются и на чем основаны правила приближенного анализа схем на ОУ?

7.Пояснить условно-графическое обозначение ОУ.

8.Для чего в схемах ОУ используется двухполярное питание?

9.Пояснить передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ.

10.Для чего в схемы усилителей на ОУ включают балансировочный резистор R_см?

Бланк отчёта по лабораторной работе приведён в приложении 6.

ВЫХОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности. Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства в целом. Проблемы повышения к.п.д. и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше к.п.д., тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики, и соизмеримы с величиной напряжений источников питания. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов по входу и выходу, что создаёт условия возникновения нелинейных искажений входного и выходного сигнала. Обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искажён.

Уровень нелинейных искажений и к.п.д. усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы транзистора. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса «А». В этом режиме рабочая точка выбирается на середине линейного участка характеристик транзистора. Максимальный к.п.д. можно обеспечить в режимах класса «В» или «АВ». В этом случае рабочая точка выбирается на участке характеристик «отсечка» или на начальном отрезке линейного режима.

Усилители мощности бывают однотакные и двухтактные, причём первые работают в режиме класса «А», а вторые – в режиме класса «АВ». Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых мощностях ( до единиц ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность в нагрузке Р_н при разработке усилителя мощности должен быть решён вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е_пит. При использовании напряжения Е_пит максимальная амплитуда гармонического сигнала составит

U_m = .

Тогда максимально возможная мощность в нагрузке определится из выражения:

P_нмакс.= ,

откуда

Е_пит = 2.

Если по каким либо причинам выбрать полученное значение Е_пит не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя, так как это сравнительно дорогое и сложное в технологии изготовления устройство. Кроме того при использовании трансформаторов существенно ухудшаются частотные характеристики усилителя мощности.

БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ВЫХОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Задачей выходных каскадов является обеспечение заданной мощности в нагрузке. Бестрансформаторные мощные выходные усилители собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме В или АВ, включенных по схеме с общим эмиттером или общим коллектором. В этих схемах используются сочетания в одном каскаде транзисторов с одинаковым типом проводимости либо разного типа (комплементарные пары).

Основными показателями усилителя мощности являются:

• полезная мощность Рн, отдаваемая в нагрузку;

• коэффициент полезного действия η;

• коэффициент нелинейных искажений Кг;

• полоса пропускания АЧХ ∆f.

Величины Кг и η во многом определяются классом усиления. В режиме класса А минимальные нелинейные искажения (Кг<1%), но невысокий кпд η<0,4 и невелика полезная мощность.

Мощные выходные усилители работают в режиме класса В, при этом в отсутствие входного сигнала транзистор закрыт, значит не потребляет мощность и кпд достигает η≈0,7. Существенным недостатком является высокий уровень нелинейных искажений (Кг<10%)/

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В. В режиме покоя транзистор приоткрыт небольшим током базы Iбо, который выводит рабочую полуволну входного сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью (Рис. 5.1).

Графический анализ работы двухтактного усилителя обычно проводят лишь для одного плеча, полагая, что оба плеча симметричны.

Этот анализ проводят с помощью выходных ВАХ транзистора и нагрузочной прямой, которые приведены на рис.5. 2.

Лучшие по качественным показателям и схемотехническому решению имеют двухтактные усилители мощности, выполненные на комплементарных транзисторах. Такие усилители принято называть бустерами. Различают бустеры тока и напряжения.

Наибольшее распространение получили бустеры тока (на транзисторах с общим коллектором). В простейшей схеме на рис.5.3 приведена схема бустера с двухполярным питанием, которая работает в режиме класса В. Здесь использованы транзисторы VT1 n-p-n типа и VT2 p-n-p-типа, базы которых подключены ко входу усилителя.

При подаче на вход положительной полуволны сигнала открывается и усиливает транзистор VT1, а когда приходит отрицательная полуволна – VT2. Ток на нагрузке каждые полпериода меняет направление, таким образом, на нагрузке формируется переменный сигнал.

Из-за нелинейности ВАХ транзисторов при малых входных сигналах усиление значительно снижается, что приводит к искажениям в виде "ступеньки" (рис.5.4), характерным для режима класса В. Свободным от этого недостатка является бустер класса АВ (рис.5. 5). Токи покоя в этой схеме задаются цепью смещения R1, VD1, R2, VD2. Диоды обеспечивают температурную стабилизацию работы усилителя.

Обычно невозможно точно согласовать сопротивление нагрузки и выходное сопротивление усилителя. Полезная мощность, отдаваемая в нагрузку, сильно зависит от ее величины и достигает максимального значения при оптимальной нагрузке. При увеличении сопротивления нагрузки сверх оптимальной величины мощность убывает по гиперболическому закону.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Определить основные параметры выходного каскада на комплементарных транзисторах (рис. 3), если выходная мощность, выделяемая на нагрузке R_н, Ом, равна Р,Вт.

1.Мощность, потребляемая от источника питания: Р_потр = Е_КI_потр = (5.1)

2.Мощность, отдаваемая в нагрузку: Р_К = 0,5U_KmI_Km =0,5 I_Km²R_H (5.2)

3.Зададимся небольшим запасом мощности, которую должны выделять в нагрузку оба транзистора: Р΄_К>1,1Р_K (5.3)

4.Максимальное значение тока коллектора: I_Km = (5.4)

5.Амплитуда выходного напряжения на нагрузке: U_Km =I_KmR_H (5.5)

6.КПД коллекторной цепи: η=Р_К/P_потр (5.6)

7.Для исключения нелинейных искажений сигнала напряжение источника питания выбирают из условия:Е_К ≥U_Km + ΔU_нас,

обычно напряжение насыщения ΔU_нас= 0,3…0,5 В.

8.Исходя из расчетов, нужно выбрать комплементарную пару транзисторов p-n-p и n-p-n типа, у которых по справочнику определить параметр h_21Э.

Тогда входной ток :I_бm =I_Km/ h_21Э (5.7)

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ ПАРЫ

P-N-P	N-P-N
КТ361 (А - Е)	КТ315 (А - Е)
КТ502 (А – Е)	КТ503 (А – Е)
ГТ402 (А – Г); ГТ405 (А – Г)	ГТ404 (А – Г)
КТ814 (А – Г)	КТ815 (А – Г)
КТ816 (А – Г)	КТ817 (А – Г)
КТ818 (А – Г)	КТ819 (А – Г)