электронные усилители

 

Методическое указания

к лабораторной работе № 2

по курсу “Электротехника и электроника”

Введение

Знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобре­тает особую актуальность с развитием микроэлектроники.

Данное методическое пособие создано на базе курса "Электро­техника и электроника", читаемого авторами на кафедре "Электро­техника, электроника и электрооборудование" для студентов фа­культетов Э, СМ, РК, МТ МГГУ им. Н.Э.Баумана.

В пособии основное внимание уделено изучению характеристик и параметров усилительных каскадов на транзисторах и операцион­ных усилителях. Практические знания, приобретенные студентами в процессе выполнения данной работы, будут способствовать лучшему усвоению теоретического материала, излагаемого в курсе "Электротехника и электроника".

Цель работы - изучить свойства транзисторного усилительно­го каскада на дискретных элементах, исследовать влияние обрат­ных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

усилители постоянного тока (ЖЕ),

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункцио­нальных, или универсальных, так как с их помощью можно реализо­вать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усили­тельного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора мо­жет быть использовано для различных преобразований электри­ческих сигналов (усиление, генерирование, преобразователей фор­мы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойст­вами и другими признаками.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п,  и имеющий два р- п- перехода. На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 1б изображена схема подключе­ния внешних элементов, генератора усиливаемого входного напря­жения U_ВХ и  источника питания +U_n к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзи­сторов, так как в ней наилучшим образом используются усилитель­ные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые использу­ются реже.

 

Рис. 1

Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му  закону Кирхгофа для транзистора (см. рис. 16) мож­но записать

,

т.е. ток коллектора I_к меньше тока эмиттера I_Э на величину тока базы I_Б. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина  всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов  = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной явяется ток базы, а выходной - ток коллектора. Испоьзуя соотноше­ния (1) и (2), получаем

.

Коэффициент  называют статическим коэффициентом усиле­ния тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

  Рис. 2 Рис. 3         

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзис- тора в схеме с ОЭ являются:

                  а) входные характеристики (рис. 2)

                            при 

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 3)

                            при

Входные характеристики при U_KЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для U_KЭ = 0 В  и U_КЭ=3 В, либо U_KЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с I_Б=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения I_Бнас. При I_в= I_Бнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыще-ния и отсечки (см. линии со штриховкой на рис.3).В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом.

На входные и выходные характеристики транзистора (см. рис.2 и 3) сущест- венно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквива-лентно поднимаются вверх (см. рис.3).

В справочниках [I] приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока  (или ) в схеме с ОЭ; граничное напряжение U_KЭ; обратный ток коллектора I_К0; граничная частота fгр коэффициента , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент   (или ) уменьшается в  раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 4). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяе­мые между базой и эмиттером транзистора, а также источник вход­ного сигнала U_BХ.

                                                   Рис. 4

Выходная цепь каскада включает источник питания U_n, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока i_K , управляемого током ба­зы i_g , создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исклю­чить протекание постоянного тока через источник входного сигна­ла по цепи + U_n— R_l- внутреннее сопротивление источника  и_в (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~_Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источ­ника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллек-торной цепи Г (см. рис3) задается соответствующей величиной тока базы покоя r_gn (см. рис.2), протекающего о сточника питания U_n через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения пита­ния   U  , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению U_бп  (см. рис.2). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вно­симых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняет­ся, если точка покоя П (см. рис.2 и 3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше необходимого тока покоя базы   I_БП.

Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор С_Э шунтирует рези­стор Р по переменному току, исключая тем самым проявление от­рицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие С_Э приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада [2] .

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение, например, по синусоидальному закону: 

При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток i_б в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относитель­но точки покоя П (см. рис.2, 3). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллекто­ра г, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоанали- тический метод расче­та нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.

Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:

       (4)

Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение

       (5)

Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах I_к и U_кэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах I_K и U_кэ, на­зывается линией нагрузки каскада по постоянному току (см. пря­мую линию на рис.3). Точка пересечения этой линии с характе­ристикой, соответствующей I_6п, т.е. точка П, определяет ре­жим работы каcкада по постоянному току.

В режиме усиления, когда Uвх=Uвхsinωt, рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллекто­ра iк и напряжения U_КЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения U_КЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх  находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основ­ных свойств такого каскада.

Основным показателем любого усилителя является его коэффи­циент усиления - это величина, равная отношению выходного сиг­нала к входному. В зависимости от назначения усилителя различа­ют коэффициенты усиления по напряжению

Ввиду наличия в схеме каскада элементов, параметры которых зависят от частоты, в общем случае коэффициент усиления являет­ся комплексной величиной К=Ке , где К - модуль коэффи­циента усиления, а у - аргумент, показывающий угол сдвига по фазе между выходным и входным сигналами.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относитель­но точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рис. 2). При Uвх>Uвх2  линейность амплитудной характе- ристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзи­стора.

    Рис. 5     

             Это приводит к появлению искажений формы выходного сиг­нала относительно формы входно­го, т.е. так называемых, нели­нейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды вход­ного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя пред­ставляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рис. 6.

  Рис. 6

                                                

Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элемен­тов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры кото­рых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных иска­жениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различны­ми коэффициентами усиления. Анализируя рис.6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом К_V0.

Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500...1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые "завалы" АЧХ).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называ­ют полосой пропускания, которая определяет нижнюю f_H и верхнюю f_a граничные частоты усиления при заданном уровне частот­ных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет K_Vo /√2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обуслов­лен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсато­ра Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление х_С=1/ωС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления х_с возрастают, что приводит к увели­чению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора С_э при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя­зи по переменному току и снижению коэффициента усиления кас­када.

"Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтирова­нии соответствующих р- п- переходов тем большем, чем выше ча­стота усиливаемого сигнала.

На практике ни один усилитель не используется без обрат­ной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

На рис. 7 показана структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиле­ния К через звено ОС с коэффициентом передачи γ поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут вхо­дить линейные, нелинейные, ча­стотно-зависимые и другие эле­менты или даже целые устройст­ва.

    Рис. 7

                                        

Существует целый ряд ква­лификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то ис­пользуется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во вто­ром - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складыва­ются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается после­довательно с напряжением источника входного сигнала (рис.8а), а во втором - параллельно (рис.86).

Рис. 8

                                         

В усилителях в основном используется отрицательная обрат­ная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рис. 8а показан усилитель, охва­ченный последовательной отрицательной обратной связью по на­пряжению. Оценим свойства такого усилителя.

Уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входной цепи усилителя имеет вид

Разделим обе части (6) на

 

Введём обозначения:

       - коэффициент усиления усилителя без ОС.

        - коэффициент передачи звена ОС.

   - коэффициент усиления усилителя с ОС.

После преобразований получаем

Выражение (7) показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практи­чески это единственное негативное свойство ООС. Однако если γК>>1, а этого достичь очень просто, то К_OC =1 /γ, т.е. результирующий коэффициент усиления К_OC  не зависит от К, а следовательно, и от всех факторов, влияющих на его величину, т.е. существенно повышается стабильность К_OC. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания (рис.9) и линейный участок ампли­тудной характеристики (рис.10), что приводит к уменьшению ис­кажений как линейных, так и нелинейных.

 

Рис. 9      Рис. 10

                                                                     

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис.4) применена ООС по току эмиттера, а резистор £ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется ввдением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера I_ЭП.

В режиме покоя, когда U_ВХ=0 , с учетом I_Д>>I_БП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирх­гофа можно записать

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора I_КП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера I_ЭП (например, возра­стут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на вы­ходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может приве­сти к увеличению I_БП и U_БЭП, на входных характеристиках (см. рис.2). Так как  I_Д>>I_БП, можно полагать I_ДR2= const.

Из (8) очевидно уменьшение U_БЭП, а, следовательно, уменьшение I_БП, что приводит к снижению  I_КП и к неизменности ре­жима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффи­циент усиления параллельно   R_э включен конденсатор С_Э, ем­кость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактив­ное сопротивление в полосе пропускания  Х_CЭ << R_Э /10.

Если же С_Э отсутствует, то переменная составляющая тока эмит­тера Iэ      создает на резисторе R падение напряжения 

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с входным дифференциальным каскадом, с очень высоким и стабильным коэф­фициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропус­кания (от 0 до 10...100 МГц), высоким входным сопротивлением ( R_Вых>10 кОм) и малым выходным сопротивлением ( R_вых<100 Ом).

Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назна­чения (различные типы усилителей - УПТ, УШ, УВЧ и др., гене­раторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных уст­ройств). СУ в настоящее время выпускаются только в микро­электронном (интегральном) исполнении и считаются базовым эле­ментом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой на­дежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

   Рис. 11    Рис. 12

                                                       

В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис. II показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.12 - типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.II), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При по­даче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Усилитель­ные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом - эмиттерный повторитель тока [3]. Применение двух разнополярных источни­ков электропитания с общей точкой - U_n для ОУ позволяет полу­чать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как пра­вило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивле­ние R, выходное сопротивление U_вых. Идеальным ОУ назы­вают такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в пред­положении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охвачен­ного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

  (см. рис. 12).

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ;, т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

      

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых  находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

   Рис. 13

                                                

Амплитудно-частотная характеристика реального операцион­ного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 13. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффицинта усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд содержит однокаскадный усилитель переменного напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис.14а), а инвертирующий усилитель, собранный на базе 07 (рис. 146).

        Рис. 14

                                       

В схеме усилителя с ОЭ усиливаемый сигнал подается через разделительный конденсатор СТ. Нагрузкой каскада является рези­стор R. Предусмотрена возможность изменять с помощью переклю­чателя S5 величину емкости разделительного конденсатора между цепью коллектора транзистора и нагрузкой R. Введение ООС по переменному току осуществляется с помощью переключателя S4. При отключении конденсатора С_э, шунтирующего резистор R_э, в цепи эмиттера транзистора вводится ООС по переменному току. Усилитель на базе ОУ состоит из собственно операционного усилителя DА , входной цепи, содержащей резистор R_i , выходной цепи - цепи нагрузки Rн, цепи ООС, реализуемой с помощью сопро­тивления Roc=Roc1+Roc2. Значение сопротивления  Roc может регулироваться изменением величины переменного резистора Roc2

Для включения лабораторного стенда служит выключатель S1, а для включения каждой из исследуемых схем - переключатель S2, имеющий два положения.

На входы схем усилителей усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов. Выходные напряжения на резисторах нагрузки R_H усилителей измеряют цифровым вольтмет­ром. Наблюдение формы напряжения на нагрузке производится с по­мощью электронного осциллографа. Правила пользования приборами необходимо изучить в лаборатории.

ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА.

1.Работы следует выполнять строго в соответствии с зада­нием.

2.Необходимо знать функциональное назначение всех элемен­тов коммутации (выключателей, кнопок, переключателей и т.п.) и, прежде чем включать стенд, убедиться, что все исследуемые  в работе устройства отключены от источника электропитания.

3.Студент обязан знать и строго соблюдать правила поль­зования применяемыми в работе электронными приборами: генера­тором, осциллографом, вольтметром. В случае необходимости за консультацией обращаться к преподавателю.

4.При выполнении работы запрещается: включать схемы без разрешения преподавателя; использовать измерительные приборы, которые не указаны в методических указаниях к данной работе; пользоваться неисправными приборами, и устройствами.

5.После выполнения работы необходимо выключить электро­питание всех исследованных устройств.

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением экспериментальной части обязательно со­беседование студентов с преподавателем для усвоения ими после­довательности всех этапов работы и получения разрешения на про­ведение эксперимента.

Исследование усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе (ОЭ)

Задание 1. Исследовать влияние величины входного напряже­ния Uвх на величину и форму напряжения на нагрузке усилите­ля Uн при постоянной частоте fг входного сигнала для двух случаев:

а) без обратной связи по переменному току;

б) с отрицательной обратной связью по переменному току.
            Для этого необходимо:

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 100 мВ, ручку "Регулировка выхода"  в крайнее  левое  положение,  частоту f =1000 Гц.

2.Подсоединить генератор синусоидальных сигналов к входу усилителя, а измерительные щупы цифрового вольтметра и элект­ронного осциллографа - к нагрузке усилителя. При этом во избе­жание наводок, искажающих выходной сигнал усилителя, необходи­мо клеммы "Земля" генератора, вольтметра и осциллографа под­ключить к общей точке входа и выхода усилителя

3. Подключить лабораторный стенд и схему усилителя ОЭ.
            4. Установить емкость СЗ =10 мкФ.

5. Изменяя значение входного сигнала от 0 до 100 мВ, про­извести необходимые измерения при двух положениях переключа­теля S4 , соответствующих отсутствию ОС и наличию ООС по пере­менному току. Результаты измерений занести в табл. I и постро­ить графики амплитудных характеристик в единой системе коорди­нат.

Таблица 1

мВ	В		мВ	В
	Без ОС	С ООС		Без ОС	С ООС
0 10 20 30 40 50			60 70 80 90 100

 

 

 

 

 

 

 

 

6.    Определить и сравнить коэффициенты усилителя по напряжению К_и на линейных участках амплитудных характе­ристик.

7.    Наблюдая форму выходного сигнала U_Н (1) на экране осциллографа, найти значение входного напряжения U_ВХ, при котором наступают заметные искажения выходного напряжения при отсутствии ОС и наличии ООС. Нарисовать форму искаженного сиг­нала и отметить на амплитудных характеристиках соответствующие этому значения XI.

Задание 2. Построить амплитудно-частотную характеристику усилителя без обратной связи. Для этого необходимо:

1.    Установить ручкой "Регулировка выхода" напряжение U_ВХ=100 мВ и в дальнейшем поддерживать его постоянным.

2.    Установить переключатель S4 в положение отсутствия ОС, оставив СЗ=10 мкФ.

3.    Изменяя дискретно частоту сигнала в диапазоне от 0 до 200 кГц и устанавливая ее значения в соответствии с табл. 2, измерить напряжение на нагрузке усилителя R_H. Результаты за­нести в табл. 2.

4.    Вычислить значения коэффициента усиления по напряжению и построить амплитудно-частотную характеристику. Значения ча­стот по оси абсцисс откладываются в логарифмическом масштабе по основанию 2, т.е. 210°; 210¹; 210²;….Гц, что соответст­вует значениям, указанным в табл. 2.

5. Определить по полученной характеристике полосу пропускания усилителя, отметив на характеристике граничные частоты.

Таблица 2

 

 

Задание 3. Исследовать влияние на полосу пропускания уси­лителя значения ёмкости разделительных конденсаторов и ООС. Для этого необходимо:

1.Установить конденсатор С2=1 мкФ, переключатель S4 в положение, соответствующее отсутствию ОС по переменному току.

2.Установив U_ВХ=10 мВ и fг=1000 Гц, найти коэффици­ент усиления усилителя К_u0 на средних частотах (примерно 1000 Гц).  

3.Изменяя частоту генератора синусоидальных сигналов в пределах от 20 до 200 Гц, определить полосу пропускания уси­лителя.

Занести значения К_u0 нижней fн и верхней fв граничных частот в табл. 3.

Таблица 3

4. Аналогично определить полосу пропускания усилителя с ОOC по переменному току при С2 =1 мкФ и СЗ =10 мкФ.

Результаты измерений (f_H, fв) и расчетов (К_u0) зане­сти в табл. 3.

Исследование инвертирующего усилителя напряжения низкой частоты на базе ОУ

Задание 4. Исследовать зависимость коэффициента усиления усилителя от параметров цепи обратной связи и частоты входного сигнала.

Для этого необходимо:                                                   

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 10 мВ, ручку "Регулировка выхода" в крайнее левое положение, частоту, равную fг=1000 Гц.

2.Подсоединить измерительные приборы к операционному усилителю аналогично п.2 задания 1.

3.Подключить схему СУ.

4.    Подав напряжение на вход усилителя Uвх=5 мВ, изме­рять значение выходного напряжения U_H при двух крайних положе­ниях ручки переменного резистора Roc2 в цепи 00С. По резуль­татам эксперимента вычислить для двух случаев коэффициент уси­ления по напряжению Кu и сравнить с расчетной величиной Кuрас = Roc/R1. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.   

Таблица 4

5.Наблюдая форму выходного сигнала U_Н(t) на экране осциллографа, определить значение входного напряжения Uвх, при котором наступают заметные искажения при двух крайних положениях ручки переменного резистора R_0C2. Нарисовать форму иска­женного сигнала и указать соответствующие значения Uвх2.

6.Установить напряжение Uвх=5 мВ; изменяя частоту в пределах от 20 Гц до 200 кГц, проследить, как зависит коэффи­циент усиления усилителя от частоты входного сигнала при двух крайних положениях ручки резистора.

Определить полосу пропускания ОУ, записать значения К_u0, fн и fв при двух крайних положениях ручки резистора  Roc2,  в таб­лицу, аналогичную табл. 3.

7. После окончания экспериментов выключить лабораторный стенд.

С0ДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.    Титульный лист с названием работы, указанием индекса группы, фамилии студента и даты исполнения.

2.    Краткое описание принципа работы и назначения исследуе­мого устройства.

3.    Электрические схемы исследуемых устройств, вычерченных с помощью чертежных инструментов с соблюдением условных графи­ческих обозначений элементов по ГОСТ.

4.    Графики и осциллограммы, выполненные на миллиметровой бумаге.

5.    Таблицы, графики, осциллограммы и выводы в соответст­вии с заданием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.    Что называется электронным усилителем? Объяснить прин­цип действия усилителя.

2.    Перечислить основные параметры и характеристики усили­теля.

3.    Объяснить назначение элементов, входящих в схему уси­лительного каскада на транзисторе.

4.Объяснить характер экспериментальных зависимостей и осциллограмм, полученных в работе.

5.Что такое обратная связь? Как она влияет на параметры и характеристики усилителя?

6.Как осуществляется температурная стабилизация в усили­теле?

7.Что такое полоса пропускания усилителя? Как ее опреде­лить?

8.Что называется операционным усилителем? Каково его условное обозначение?

9.Что представляет собой операционный усилитель в интег­ральном исполнении?

10.Назовите возможные области применения электронных усилителей.

11.Назовите назначение используемых в работе электронных приборов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник. /Под ред. Н.Н.Горюнова. М.; Высш. шк., 1986.

2.Основы промышленной электроники. /Под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высш. шк., 1986.

3.Справочное пособие по основам электротехники и электро­ники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: Энергоатомиздат, 1995.

4.Электротехника и основы электроники. /Под ред. О.П.Глудкина, Б.П.Соколова. М.: Высш. шк., 1993.