Тема 10. Занятие 2.

Исследование усилителя НЧ, определение его основных характеристик.

Принципиальная схема усилитьеля показана на рис.10.2. Он собран на биполярном транзисторе типа р-n-р ГТ403Б. Резистор R3 - сопротивление нагрузки. R1.R2 - базовый делитель (сопротивление R1 - переменное, им устанавливается рабочая точка усилителя по постоянному току). Конденсаторы С_р1 и С_р2 - разделительные. Ко входу усилителя подключен генератор звуковой частоты ЗГ-36, а к выходу усилителя подключен осциллограф С1-112.

1.Установка режима работы транзистора

Для получения максимального усиления необходимо вывести рабочую точку на середину нагрузочной характеристики каскада. Для этого необходимо подключить вольтметр к коллектору транзистора и, вращая ось переменного резистора R1, установить на коллекторе напряжение равное половине напряжения источника питания, т.е. -6 вольт.

2. Определение коэффициента усиления каскада.

Подать на вход усилителя с генератора НЧ сигнал частотой 1000 Гц и напряжением 20 мВ.

Измерить гнапряжение сигнала на выходе усилителя. Рассчитать коэффициент усиления.

К=U_вых/U_вх

3. Снятие амплитудно частотной харктеристики усилителя (АЧХ).

Подать на вход усилителя с генератора НЧ сигнал с амплитудой 20 мВ и частотой от 20 до 50000 Гц (частоты указаны в таблице №1). Для каждого из указанных значений частоты рассчитать коэффициент усиления и заполнить таблицу №1. По данным таблицы построить график АЧХ.

Таблица №1

f (Гц)	20	50	100	1000	5000	10000	15000	20000	50000
К	120	165	185	200	200	180	150	120	110
Кнормир	0,6	0,85	0,9	1	1	0,95	0,75	0,6	0,55

К_нормир=U_{вх max}/U_{в min}

4.Снятие амплитудной характеристики. Определение динамического диапазона.

Установить частоту сигнала 1000 Гц. Увеличивая амплитуду сигнала от 0 до 50 мВ через каждые 5 мВ, определять амплитуду выходного сигнала и записывать данные в таблицу №2 Построить график U_вых=F(U_вх). Определить динамический диапазон усилителя

D=20log*U_{вх ma[}/U_{вх min}

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

До появления линейной интегральной схемотехники к классу операционных усилителей (ОУ) относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и др.

Появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем позволило значительно усовершенствовать их технические и эксплуатационные показатели. При этом наряду с известными были разработаны и использованы новые схемотехнические решения, составившие основу интегральных ОУ. В. настоящее время под ОУ понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых разнообразных функций, в том числе и перечисленных выше.

Интегральные ОУ обычно строятся по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратных связей. Кроме интегральных, промышленностью выпускаются также ОУ в гибридно-модульном исполнении, малосигнальная часть которых выполняется на бескорпусных элементах, расположенных на гибридной подложке, а мощный выходной каскад использует транзисторы в обычном дискретном исполнении. Такие ОУ характеризуются значительно большим уровнем выходного напряжения усиливаемого сигнала. Если к тому же на входе ОУ применить полевые транзисторы, то можно достичь значения входного сопротивления 10⁹ - 10¹¹ Ом.

Рис.1

Большинство интегральных ОУ промышленного типа имеют один выход (рис..1). При этом выходное напряжение U_вых находится в фазе с напряжением U_вх1 и противофазно напряжению U_вх2. В случае необходимости второй выход можно получить за счет подсоединения нескольких дополнительных элементов.

Напряжение, непосредственно приложенное между входами, равно разности напряжений U_вх1 и U_вх2. - Причем это напряжение равно нулю, если последние имеют даже значительные, но равные значения. Поэтому U_вх1 и U_вх2 по отношению к общей точке называются напряжениями общего вида, а их разность - дифференциальным напряжением.

Выпускаемые ОУ характеризуются большим входным, низким выходным сопротивлениями и очень высоким коэффициентом усиления. Представляя ОУ идеальной моделью, считают, что K_U  , R_ВХ  , R_ВЫХ ® 0. Кроме того, к основным признакам идеального ОУ следует отнести:

• бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты f = 0;

• постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот;

• отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

Входные характеристики ОУ практически полностью определяются входными характеристиками дифференциального усилителя, а выходные - аналогичными показателями усилителя мощности (Рис.2). Транзисторы ОУ в интегральном исполнении имеют биполярную структуру.

Принципиальная схема ОУ типа К140УД1 показана на рис.3. Первый усилительный каскад с прямыми входами на транзисторах Т1 и Т2 с источником стабильного тока Iо на транзисторе ТЗ и цепочкой температурной компенсации на транзисторе Т5 полностью аналогичен схеме дифференциального усилителя. Поскольку первый каскад ОУ работает в режиме микроамперных токов (Iо = 150...250 мкА), то его коэффициент усиления по напряжению K_U1 = (I₀/_т) Rк мал - в пределах 10 - 20.

Напряжение смещения, выделяемое на транзисторе в диодном включении Т5 и резисторе R5, прикладывается к базе транзистора ТЗ, обеспечивая стабилизацию его коллекторного тока Iо в широком диапазоне температур.

Это же напряжение управляет источником стабильного тока схемы сдвига постоянного уровня сигнала, который поступает на транзистор Т8 выходного каскада.

Второй каскад на транзисторах Т4 и Т6 также выполнен по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и не симметричным выходом

Однако ток второго каскада не фиксируется источником стабильного тока в эмиттерной цепи транзисторов, так как от этого каскада не требуется ослабления синфазного сигнала общего вида, который практически отсутствует на выходе первого дифференциального усилителя.

. Поэтому второй каскад ОУ работает с миллиамперными уровнями токов, обеспечивая усиление напряжения порядка 100 и более. Кроме того, использо вание дифференциальной схемы во второй ступени усиления существенно упрощает согласование обоих каскадов ОУ по постоянному току без заметной потери усиления.

Выходной каскад ОУ (транзисторы Т7—Т9) должен иметь большое входное и малое выходное сопротивление, обеспечивающее получение на заданной нагрузке необходимого выходного напряжения. Выходной каскад является однотактным усилителем, работающим в режиме класса А, в котором для до-лучения усиления, большего единицы, используется схема сдвига уровня сигнала на транзисторе Т8. Поскольку на этот транзистор с выхода ОУ (эмиттерный повторитель на транзисторе Т9) подается положительная обратная связь по току (R8, R9), напряжение которой для базы транзистора Т9 является параллельным, то входное сопротивление всего каскада увеличивается, выходное — уменьша ется, а коэффициент усиления эмиттерного повторителя может достигать величины, равной пяти. Таким образом, общий коэффициент усиления ОУ типаК140УД1 может достигать нескольких тысяч.