МИНОБРНАУКИ РОССИИ

_____________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

Электроника

Методические указания

к лабораторным работам

Санкт-Петербург

Издательство сПбГэту «лэти»

2012 Удк 621.396

Электроника: Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Виноградов, А. А. Погодин. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2012. 68 с.

Содержат описания лабораторных работ, предназначенных для закрепления теоретических сведений, полученных при изучении аналоговых схем на операционных усилителях и транзисторах.

Предназначены для подготовки бакалавров по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 220400 «Управление в технических системах», изучающих курс «Электроника».

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ

В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» студенты измеряют основные параметры и характеристики электрон-ных цепей (схем). Несмотря на существенные различия в построении и назначении схем, наборы измеряемых параметров для этих цепей отличаются незначительно. В данном разделе приведены методики измерения тех параметров и характеристик, которые необходимо измерять при выполнении нескольких лабораторных работ.

1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость напряжения на выходе (U_выx) схемы от напряжения на ее входе (U_вx). АХ измеряют на одной частоте, поэтому на вход цепи подают гармонический сигнал (частотойf), как правило, лежащей в полосе пропускания (усиления) схемы.Методику измерения АХ поясняет рис. М-1: источником сигнала является генератор (Г); поскольку часто генератор не содержит измерительного прибора, позволяющего точно контролировать уровень напряжения на его выходных клеммах, то к этим клеммам подключают вольтметр В₁.

Рис. М-1

С точки зрения исследуемой схемы выходное напряжение генератора, измеряемое вольтметром В₁, является входным (U_вx). К выходу схемы подключают вольтметр В₂, регистрирующийU_выx, а также электронный осциллограф (ЭО). Назначение осциллографа – демонстрировать форму сигнала на выходе схемы: нарушение линейной зависимости АХ сопровождается появлением нелинейных искажений выходного сигнала, т. е. отклонением его от гармонической формы. В процессе измерений необходимо изменятьU_вxпри поддержании постоянстваf.

2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) K_U = K_U(f), где K_U = = | U_выx/U_вx| – коэффициент передачи схемы по напряжению. Для измере-ния АЧХ применяют ту же схему рис. М-1, которая используется для измерения АХ.

Однако теперь фиксируют U_вx (на уровне, при котором в выходном сигнале отсутствуют нелинейные искажения), а частоту изменяют. В процессе измерений удается зарегистрировать не коэффициент передачи, а лишь U_выx, поэтому в дальнейшем следует обработать полученные данные. При построении графика АЧХ рекомендуется для большей наглядности частоту откладывать по оси абсцисс в логарифмическом масштабе: при этом любому десятикратному увеличению f соответствует отрезок фиксированной длины. Например, расстояние между отметками 10 и 100 Гц на оси выбрано равным одному сантиметру; между отметками 100 Гц и 1 кГц следует также отложить 1 см, между 1 и 10 кГц такой же отрезок и так далее.

3. Фазочастотная характеристика (ФЧХ)  (f), где  – сдвиг фаз, который приобретает гармонический сигнал при прохождении через схему. Наиболее распространенный метод измерения ФЧХ – с использованием осциллографа, на экране которого получают фигуру Лиссажу. Методику измерений поясняет рис. М-2.

Рис. М-2

Сигнал с выхода схемы как правило подают на вход Υ осциллографа, а входной – на вход Х. Поскольку сигналы имеют различные амплитуды, то надо обеспечить равенство их графических изображений («вписать фигуру Лиссажу в квадрат»). Регулировать размер изображения сигнала можно только по входу Υ. После получения на экране фигуры, имеющей в общем виде форму эллипса, необходимо измерить ее размеры и рассчитать сдвиг фаз по формуле, приведенной на рис. М-3. Поскольку амплитуда выходного сигнала может меняться в зависимости от частоты, необходимо при переходе от одного значения f к другому заново обеспечивать равенство горизонтального и вертикального размеров фигуры Лиссажу – в противном случае при измерении фазы будет иметь место ошибка.

4. Входное сопротивление (R_вx) схемы – отношение входного напряжения к входному току. Методику измерений поясняет рис. М-4.

Между генератором и входом исследуемой схемы включают магазин сопротивлений (МС). Применяемые в учебной лаборатории МС обеспечивают удовлетворительную точность измерений при

частотах сигнала не более 3 кГц. Первона- Рис. М-4

чально устанавливают нулевое сопротивление магазина (R_м) и при этом фиксируют напряжение на вольтметре (оно равно напряжению на выходе генератора). Затем сопротивление магазина плавно увеличивают до тех пор, пока напряжение не снизится вдвое. Это означает, что магазин и входное сопротивление образовали делитель из двух равных сопротивлений, т. е. входное сопротивление схемы равно сопротивлению магазина.

5. Выходное сопротивление схемы (R_выx) – отношение выходного напряжения к выходному току. Методику измерений поясняет рис. М-5.

Рис. М-5

В начале измерений устанавливают максимально возможное сопротивление магазина, при этом магазин и вольтметр В₂ соединяют параллельно и фиксируют показания вольтметра. Постепенно уменьшая сопротивление магазина, добиваются снижения напряжения, регистрируемого вольтметром, вдвое: при этом R_м равно R_выx исследуемой схемы.

Внимание! Подключение магазина с малым сопротивлением может привести к выходу из строя как макета, так и магазина сопротивлений.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ

И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

Целью работы является практическое ознакомление с пассивными и активными дифференцирующими и интегрирующими цепями – как со схемами, преобразующими форму импульсных сигналов, так и как с фильтрами.

Основные положения. Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 1.1. Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U₀ и длительностью τ_и), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения U_R. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения U_R является одновременно выходным сигналом ДЦ (U_выx). Напряжение U_C возрастает по экспоненциальному закону, при этом принято считать, что заряд завершается за время, равное 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U₀, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.

После окончания входного импульса (начиная с момента τ_и) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравнению с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя.

Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 1.2).

Возможны два варианта:

1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного импульса, т. е. 3τ < τ_и; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 1.2, а);

2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τ_и), поэтому разряд начинается не с −U₀, а с уровня −U_Cm, инверсного достигнутому при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −U_Cm меньшую, чем входной сигнал (рис. 1.2, б).

а б

Рис. 1.2

Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифференцирования: ε_д = (3τ /τ_и) ∙100.

Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Емкости C соответствует сопротивление X_C = 1/(2πfC), убывающее с ростом частоты. R и X_C образуют делитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jX_C). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффициентом передачи схемы К_U.. При f = 0 X_C → ∞, поэтому коэффициент передачи дачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ X_C = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на выход без потерь и К_U = 1. ДЦ является фильтром высоких частот.

Интегрирование в математическом плане является операцией, обратной дифференцированию. Реализующая функцию интегрирования пассивная цепь (интегрирующая цепь (ИЦ), рис. 1.3) очень похожа на ДЦ, однако элементы R и C в схемах ДЦ и ИЦ переставлены местами. В ИЦ U_выx = U_C. При подаче на вход ИЦ видеоимпульса прямоугольной формы положительной полярности, имеющего амплитуду U₀ и длительность τ_и, конденсатор будет заряжаться, зарядный ток потечет через сопротивление R. После окончания входного импульса (начиная с момента τ_и) конденсатор разряжается. Таким образом, процессы в пассивных ДЦ и ИЦ полностью совпадают. Различие заключается лишь в том, на каком элементе схемы напряжение является выходным. Преобразование импульсов интегрирующей цепью иллюстрируют диаграммы напряжений рис. 1.4 (а – случай τ_и > 3RC; б – τ_и < 3RC).

Для обеспечения высокого качества интегрирования необходимо заряжать конденсатор как можно медленнее, так как только начальный участок экспоненты близок к линейной функции (интегралом от постоянной величины является линейная функция).

Ошибка интегрирования [%] определяется как ε_и = (τ_и/3τ) ∙100. Эта формула является обратной по отношению к выражению для ε_д. К сожалению, улучшение качества интегрирования в пассивной ИЦ сопровождается снижением амплитуды U_выx, и при очень малых ε_и сигнал может быть утрачен.

Пассивная ИЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции фильтра низких частот (ФНЧ). Как и в ДЦ, резистор R и X_C образуют делитель из двух сопротивлений, но в ИЦ коэффициент деления равен (−jX_C)/(R − jX_C). При f = 0 X_C → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 1, при f → ∞ X_C = 0, конденсатор шунтирует выход схемы и К_U = 0.

Схемы активных дифференцирующей и интегрирующей цепей на базе операционного усилителя приведены, соответственно, на рис. 1.5, аиб. В общем виде передаточная характеристика таких цепей в диапазоне рабочих частот ОУ может быть описана соотношением

K(jf) = −Z_о.с(jf)/Z_вх(jf),

где Z_о.с и Z_вх – комплексные сопротивления цепи обратной связи и входной цепи соответственно. Формула является приближенной, так как не учитывает тот факт, что коэффициент усиления ОУ имеет хотя и огромное, но все же конечное значение.

а	б
Рис. 1.5

В цепи на рис. 1.5, а Z_о.с(jf) =R, аZ_вх(jf) = 1/j2πfС, т. е.K(jf) =j2πfСR, цепь является фильтром высоких частот, а с точки зрения преобразования формы сигнала – дифференцирующей. Аналогично, цепь рис. 1.5,бимеет передаточную характеристикуK(jf) = 1/j2πfСR, т.е. является фильтром низких частот, а значит, интегрирующей цепью. Достоинствами активных дифференцирующих и интегрирующих цепей по сравнению с пассивными являются большая точность выполнения соответствующих математических функций, а также возможность одновременно усиливать сигнал и преобразовывать его форму.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Галетный переключатель позволяет поочередно исследовать различные дифференцирующие и интегрирующие цепи; параметры цепей можно изменять с помощью коммутаций элементовR иС на лицевой панели макета.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегрирующие цепи как фильтры:

а) измерить амплитудно-частотные характеристики цепей в диапазоне частот (f) 10 Гц…1 МГц. Параметры цепей (значения R и С) устанавливать по указанию преподавателя;

б) определить граничные частоты (f_гр) исследованных цепей, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

3. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегри-рующие цепи как преобразователи формы импульсов:

а) для этого подать с генератора на входы различных цепей сигналы в виде меандра с различной длительностью импульсов (τ_и), зарисовать с экрана осциллографа или сфотографировать форму сигналов на выходах цепей;

б) определить ошибки дифференцирования и интегрирования (ε_д и ε_и).

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схемы исследованных дифференцирующих и интегрирующих цепей.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2,3 (графики АЧХ, значения f_гр, форма выходных сигналов с указанием τ_и, значения ε_ди ε_и).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Целью работы является практическое ознакомление с простейшими схемами включения транзисторов – схемой с общим эмиттером, схемой с общим коллектором и схемой с общей базой и с двумя другими, относи-тельно более сложными схемами.

Основные положения.Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 2.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, т. е. U_вx = U_бэ = _б – _э, где _б и _э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). Рис 2.1.

Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение (U_выx) равно падению напряжения между коллектором и эмиттером (U_кэ):

U_выx = U_кэ = _к – _э,

где _к – потенциал коллектора. Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для U_вx, и для U_выx, чем и объясняется название схемы.

Схема с общим эмиттером усиливает сигнал как по напряжению, так и по току, при этом сигнал приобретает фазовый сдвиг 180º. Более подробно модификации схемы с ОЭ изложены в работах № 3 и 4.

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 2.2. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер. Коллектор накоротко соединен с источником питания, _к = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Сопротивления R_б1 и R_б2 используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения U_вx = E(R_б2/(R_б1 + R_б2)). Сопротивление R_э обеспечивает получение переменного выходного сигнала. Конденсаторы С_p1 и С_p2 называются разделительными и обеспечивают «развязку» соседних каскадов по постоянному току.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем _б = U_бэ + _э, а выходной сигнал равен _э = = I_эR_э. Таким образом, U_вx = U_бэ + U_вых. Увеличение U_вx приводит к тому, что p–n-переход эмиттер – база транзистора становится более открытым, I_э растет и увеличивается U_выx = I_эR_э. Вместе с тем, рост I_э вызывает возрастание _э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но _э меняется несколько меньше, чем _б.

Коэффициент передачи по напряжению К_U у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1 и равен K_U = U_выx/U_вx = SR_э/(1 + SR_э) < 1, зато коэффициент передачи по току К_I = I_вых/I_вх = I_э/I_б >> 1. Сдвиг фаз в схеме  = 0 (так как _б и _э меняются синхронно). Поскольку при K_U ≈ 1  = 0 выходной сигнал схемы практически повторяет сигнал на ее входе, то схему с ОК часто называют повторителем, точнее, эмиттерным повторителем (так как выходным электродом является эмиттер).

В электронике широко используется тот факт, что выходное сопротивление схемы с ОК невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (на-пример, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то R_э выбирают из соотношенияR_э = R_н (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что R_н может быть малым, выбирают R_э порядка единиц-десятков ом. Рис 2.3

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал U_вx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что U_выx = _к, т. е. U_выx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назначение элементов R_б1, R_б2, С_p1, С_p2 и R_к в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (C_б), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу.

Схема работает следующим образом. Когда U_вx≈ имеет положительную полярность, _Э возрастает, в результате чего U_бэ = _б – _э снижается и p–n-переход эмиттер – база частично закрывается. Ток I_э уменьшается, в результате уменьшается и ток I_к ≈ I_э, снижается падение напряжения на сопротивлении R_к, а потенциал коллектора _к = Е – I_кR_к возрастет. Так как _к≈ ≈ U_выx≈, то при увеличении мгновенного значения U_вx≈ увеличивается и мгновенное значение U_выx≈. При отрицательной полярности U_вx≈ происходят аналогичные процессы.

Входное сопротивление схемы R_вх = R_э׀׀r_бэ, где r_бэ – эквивалентное сопротивление открытого p–n-перехода эмиттер – база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков Ом. Выходное сопротивление R_вых ненагруженной схемы определяется параллельным соединением R_к и эквивалентным сопротивлением r_кэ транзистора, включающим закрытый p–n-перехода коллектор – база, и поэтому велико. Однако если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится меньшим, чем R_вх. Коэффициент усиления по напряжению

K_U = U_выx≈/U_вx≈ = (I_кR_к)/[I_э(R_э׀׀r_бэ)] ≈ R_к/(R_э׀׀r_бэ) = R_к/R_вх.

При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует R_к и в формулу для K_U вместо этого сопротивления следует подставить значение выходного сопротивления, которое меньше R_вх: получается, что K_U < 1.

Коэффициент передачи по току К_I = I_вых/I_вх = I_к/I_э ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет.

Кроме трех простейших транзисторных схем часто используют две более сложные: схему с общей базой объединяют со схемой с общим эмитте-ром в единый каскад – так называемую «каскодную» схему (рис. 2.4). Входной сигнал в ней поступает на схему с общим эмиттером.

Транзистор схемы с ОБ включен как бы «вместо» коллекторной нагрузки схемы с ОЭ. Схема обладает малой выходной емкостью, поэтому хорошо работает на высоких частотах. Кроме того, при использовании «каскодной» схемы изменения в значении нагрузки практически не влияют на работу основного усилительного транзистора (на котором собрана схема с ОЭ).

Рис. 2.4 Рис. 2.5

Еще в одной схеме (рис. 2.5) за счет особого соединения транзисторов удается получить большой коэффициент усиления по току: коллекторный ток первого транзистора схемы является для второго транзистора базовым. По фамилии разработчика схема, представленная на рис. 2.5, называется схемой Дарлингтона.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Переключатель на лицевой панели макета позволяет поочередно исследовать различные схемы включения транзисторов.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать схему с общим эмиттером:

а) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 10 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) измерить значения фазочастотной характеристики, при этом значение f выбрать примерно соответствующим середине полосы усиления;

г) определить входное сопротивление схемы (значение U_вx выбрать таким, чтобы выходной сигнал не имел нелинейных искажений, а f принять в пределах полосы усиления);

д) определить выходное сопротивление схемы (значения U_вx и f выбрать такие же, как и при выполнении п. 2, г).

3. Исследовать схему с общей базой в соответствии с п. 2.

4. Исследовать схему с в соответствии с п 2 (при измерении амплитудной характеристики значение U_вx не должно превышать 5 В).

5. Исследовать каскодную схему (с общим эмиттером – общей базой) в соответствии с п.2.

6. Исследовать схему Дарлингтона в соответствии с п.2.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях АХ, АЧХ, ФЧХ, значений R_вxиR_выx.

2. Исследованные схемы.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–6 (графики АХ, АЧХ, значения U_{лин max} и f_гр, измеренные значения ФЧХ,R_вx,R_выx).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Целью работы является исследование характеристик усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Основные положения. Усилителем называется устройство, пред-назначенное для увеличения интенсивности сигналов без искажения их формы. По роду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических сигналов, усилители импульсных сигналов и усилители постоянного тока. В свою очередь, усилители гармонических сигналов делятся на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ). УНЧ пред-назначены для усиления сигналов с частотами от нескольких десятков герц до сотен килогерц. УВЧ служат для усиления колебаний высоких частот – порядка сотен килогерц и выше. Полоса усиливаемых частот в УВЧ обычно мала, поэтому в качестве нагрузки таких усилителей используют резонансные системы; отсюда их название – резонансные усилители.

В данной лабораторной работе исследуется УНЧ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Схема усилителя приведена на рис. 2.1.

К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R_б1 и R_б2 (R_б1 и R_б2 называют базовым делителем), поэтому _б всегда превышает _э и переход эмиттер – база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U_вx= = E(R_б2/(R_б1 + R_б2)) поступает также переменный сигнал U_вx≈ (для простоты примем, что U_вx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U_вx≈ имеет положительную полярность, p–n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U_вx≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U_вx= + U_вx≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p–n-переход эмиттер – база называют током эмиттера (I_э). Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I_б << I_э и ток коллектора I_к ≈ I_э. В свою очередь, ток коллектора (I_к) течет через коллекторное сопротивление (R_к) и создает на нем напряжение U_R = I_кR_к. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора _к = Е – U_R = Е – I_кR_к зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U_вx.

Для аналитического описания зависимости I_к от U_бэ часто используют параметр S = I_к/U_бэ, который называется крутизной. Единица измерения крутизны – ампер на вольт [А/В]. Термин «крутизна» связан с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,

U_выx = _к – _э = Е – I_кR_к = Е – S U_бэ R_к = Е – S R_к(U_вx= + U_вx≈) =

= Е – S R_кU_вx= – S R_кU_вx≈.

Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U_вых=, а переменный выходной сигнал равен U_выx≈ = – S R_кU_вx≈.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению

K_U = | U_выx≈/U_вx≈| = S R_к.

Емкости C_p1 и С_p2 представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Назначение резистора R_э – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. К сожалению, наличие R_э негативно влияет на коэффициент усиления схемы, поэтому на рабочих частотах сигнала его шунтируют, применив для этой цели блокировочный конденсатор С_э.

На характеристики УНЧ оказывает влияние также паразитная емкость С_пар: ее обычно учитывают как подключенную между коллектором транзистора и землей.

Амплитудная характеристика схемы с общим эмиттером приведена на рис. 3.1, амлитудно-частотная – на рис. 3.2.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3

С помощью перемычек на макете можно устанавливать различные значения коллекторного сопротивления (R3, R4), одной из разделительных (С5, С6) и блокировочной (С2, С3) емкостей; возможно и отключение блокировочной емкости. ЕмкостиС7 иС8имитируют паразитную емкость. Кроме того в схеме можно с помощью резистораR5и конденсатораС4создать частотно-зависимую обратную связь. ПотенциометрR6 позволяет изменять значение встроенного в макет сопротивления нагрузки.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудную характеристику усилителя:.

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график амплитудной характеристики не отклоняется от линейной зависимости;

в) повторить измерение при R_к = R4.

3. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) Повторить измерение при R_к = R4.

4. Исследование влияния емкости разделительного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С6, С_э = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю граничную частоту (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

5. Исследование влияния емкости блокировочного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С3; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при отключении как С2, так и С3.

6. Исследование влияния паразитной емкости на амплитудно-частотную характеристику усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С3; С_пар = = С7, R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 кГц…200 кГц. Определить верхнюю граничную частоту f_гр схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при С_пар = С8.

7. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7 и С8 отключить. Подключить обратную связь R5–С4. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

8. Исследование влияния нагрузки на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в крайнее левое положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

в) повторить измерение при крайнем правом положении R6;

г) измерить АЧХ схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях амплитудных и амплитудно-частотных характеристик.

2. Схема макета.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–8 (графики АХ, АЧХ, значения U_{лин max} и f_гр). График АЧХ, измеренной для схемы п. 3,а следует сопоставлять отдельно с графиками АЧХ, снятыми во всех остальных случаях (п. п. 3,в; 4,б; 5,б; 6,б; 7,б; 8,г).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО

УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является исследование широкополосного импульсного усилителя с корректирующими цепями, позволяющими улучшить его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 4.1

Основные положения. При усилении широкополосных сигналов (к ним относятся и импульсные, ширина спектра которых обратно пропорциональна длительности импульса) важной задачей является сохранение соотношений между амплитудами гармоник в спектре, а значит, и формы сигнала в функции времени. В частности, искажения формы прямоугольных видеоимпульсов характеризуют длительностью фронтов импульса (τ_ф) и спадом его вершины (рис. 4.1). Длительность фронта, приобретаемого импульсом при прохождении через усилитель, обратно пропорциональна верхней граничной частоте амплитудно-частотной характеристики усилителя τ_ф = 0,35/f_в.гр. Спад вершины импульса ΔU в процентах от его амплитуды U_m связан с нижней граничной частотой f_н.гр, а также с длительностью импульса на входе усилителя (τ_и) формулой ΔU/ U_m (%) = = 628 τ_и f_н.гр. Очевидно, что во многих случаях необходимо откорректировать имеющуюся АЧХ, понизить f_н.гр и увеличить f_в.гр.

Коррекция (исправление) АЧХ усилителя осуществляется с помощью внесения в его схему дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением R_K – коллекторного сопротивления (рис. 4.2) на два: R_K1 и R_K2. Средняя точка делителя через емкость C_ф соединяется с землей. На низких частотах C_ф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется суммой сопротивлений в цепи коллектора и равен K_U = S(R_к1 + R_к2). На высоких частотах C_ф превращается в короткое замыкание и шунтирует R_к2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен K_U = SR_к1.

C_ф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания и через него – в другие каскады электронного устройства (именно поэтому емкость помечена индексом «ф»).

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с R_к ставят катушку индуктивности L (рис. 4.3).

Такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

K_U = S= S.

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ.

Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.4). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме элемента, габариты которого заметно крупнее остальных, а именно катушки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему (схема некорректированного усилителя изображена на рис. 2.1) дополнительных элементов. При этом существенно уменьшается значение емкости C_э. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует R_э на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая C_э (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует R_э и на низких и средних частотах сигнала, при этом K_U снижается.

Только на высоких частотах C_э закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением K_U усилителя на низких и средних частотах.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 4.5. С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы коррекции. Кроме собственно усилителя на транзистореVT1 в макет входит также эмиттерный повторитель, собранный на транзистореVT2.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных схем коррекции:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при введении сопротивления R3;

г) повторить измерение при введении эмиттерной высокочастотной коррекции в диапазоне 20 Гц…2 МГц;

д) повторить измерение при введении индуктивной высокочастотной коррекции в диапазоне частот 20 кГц…2 МГц;

е) повторить измерение при введении низкочастотной коррекции в диапазоне частот 20 Гц…20 кГц.

3. Исследование влияния различных схем коррекции на форму прямоугольных импульсов:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) переключить генератор в режим формирования меандра. Установить период следования импульсов от 3 до 5 мс, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

в) ввести низкочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов;

г) установить длительность импульсов, вырабатываемых генератором от 8 до 10 мкс. Собрать схему, в которой коррекция отсутствует, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

д) ввести индуктивную высокочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов.

е) повторить измерение п. 3,д при введении эмиттерной высокочастотной коррекции (ИВЧК при этом устранить).

4. Рассчитать значения τ_ф и ΔU/ U_m (%), исходя из измеренных при выполнении п. 2 нижних и верхних граничных частот.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схемы усилителя при различных видах коррекции.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4 (графики амплитудно- частотной характеристики, значения f_гр, зарисовки формы импульсов, измеренные и расчетные значения длительностей фронтов и спадов вершины импульсов).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ

В УСИЛИТЕЛЬНЫХ СХЕМАХ

Целью работы является практическое ознакомление с использованием цепей отрицательной обратной связи в электронных схемах.

Основные сведения. Под обратной связью понимают связь, осуществляющую передачу всей или части энергии с выхода на вход электронной цепи.

Цепь, через которую подается энергия обратной связи, называют цепью обратной связи (ЦОС). Напряжение на выходе цепи обратной связи называют напряжением обратной связи (U_о.с). Отношение напряжения обратной связи к выходному напряжению называется коэффициентом обратной связи:

γ = U_о.с/U_вых<1.

Если входное напряжение электронной цепи (U_вx) совпадает по фазе с U_о.с, то такая обратная связь называется положительной. Если же входное напряжение электронной цепи находится в противофазе с напряжением обратной связи, то такая обратная связь называется отрицательной.

Иногда на практике обратная связь в электронных цепях возникает и при отсутствии реальной цепи обратной связи, т. е. непроизвольно. В этом случае в качестве цепи обратной связи выступают междуэлектродные емко-сти в электронных приборах, емкости между проводами и т. д. Такая обратная связь является нежелательной и называется паразитной.

По способу подачи напряжения обратной связи на вход электронной схемы различают параллельную и последовательную обратные связи. Если источники входного сигнала и напряжения обратной связи включены последовательно, то такая обратная связь называется последовательной (рис. 5.1). Если же эти напряжения включены параллельно, то и связь называется параллельной (рис. 5.2).

Рис 5.1 Рис 5.2

При параллельной обратной связи во входную цепь включают резистор, предотвращающий шунтирование выходного сопротивления цепи обратной связи источником входного напряжения.

По способу формирования напряжения обратной связи, т. е. по тому, как ЦОС подключена к выходу электронной схемы, различают обратную связь по току и по напряжению.

Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с зажимов сопротивления нагрузки электронной цепи (R_н), то такая связь осуществляется по напряжению (к этому типу обратных связей относятся схемы рис. 5.1 и 5.2). Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с резистора R_о.с, включенного последовательно с нагрузочным сопротивлением, то это напряжение будет пропорционально току нагрузки и связь называется по току (рис. 5.3 и 5.4). При этом обратная связь рис. 5.3 является последовательной, а рис. 5.4 – параллельной.

Из всех электронных цепей наиболее часто обратной связью охватывают усилительные схемы. Если усилитель охватить положительной обратной связью, то его коэффициент усиления увеличится: K_о.с= K/(1–γK ) > K, а для отрицательной обратной связи уменьшится: K_о.с= K/(1+γK ) < K, где K – коэффициент усиления при отсутствии ОС, а K_о.с – при ее введении. Положительную ОС поэтому применяют при создании автогенераторов, а отрицательную используют для предотвращения паразитного самовозбуждения усилителей и общего повышения стабильности его параметров.

В лабораторной работе исследованию подлежит только отрицательная обратная связь. Введение обратной связи влияет на параметры усилителей. Так, входное сопротивление усилителя зависит от того, как ЦОС подключена к его входу: при последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление увеличивается в (l + γK) раз, при параллельной – уменьшается (для схемы рис. 5.2 R_{вx o.c} = R₁ + R₂/(1+K)).

Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, уменьшается в (1+ γK) раз, а охваченного обратной связью по току – увеличивается в такое же количество раз.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 5.5. С помощью перемычек на макетеможно собирать различные цепи обратной связи.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных цепей обратной связи:

а) собрать схему с параллельной обратной связью по напряжению (рис. 5.2);

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…3 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)], а также частоту единичного усиления (f_ЕУ);

в) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по напряжению (рис. 5.1);

г) повторить измерение при введении параллельной обратной связи по току (рис. 5.4);

д) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по току (рис. 5.3).

3. Исследовать влияние различных схем обратной связи на входное сопротивление усилителя:

а) собрать схему с параллельной обратной связью. Измерить входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью;

б) повторить измерение при включении параллельной обратной связи по току.

4. Исследовать влияние различных схем обратной связи на выходное сопротивление усилителя:

а) собрать схему с обратной связью по напряжению. Измерить выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью;

б) повторить измерение при включении обратной связи по току (подключение ЦОС ко входу усилителя сохранить таким же, как в п. 4,а).

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схема макета.

3. Графики АЧХ, значения f_гр и f_ЕУ, полученные при обработке результатов измерений, проведенных при выполнении п.2.

4. Значения входных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 3).

5. Значения выходных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 4).

6. Выводы.

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ).

Основные сведения. Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ– сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество–возможность быстро и без больших расходов изменять не только коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отме-

чен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

Рис. 6.1

Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е₁ и Е₂, причем Е₁ = – E₂.

Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме R_вых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю.

Основные параметры и характеристики ОУ:

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала (U_вых) от амплитуды входного сигнала.

Рис. 6.2

В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях U_вх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на инвертирующий вход (U_вx = ); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (U_вx = );. участок –U_{вx. max} < U_вx < U_{вx max} соответствует линейному усилению, при |U_вx| > U_{вx max} возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е, а U_{вx .max} = E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).

Рис. 6.3

Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (f_{в. гр}), соответствующей усилению 0,7К_max, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (f_умм), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (f_ЕУ) – такую частоту, при которой К_U = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = f_ЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.

5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже R_вx = 10⁹ Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.

6. Скорость нарастания большого сигнала – параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в про-цессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τ_фр, для скорости и нарастания сигнала запишем   2Е/τ_фр. Значение  тесно связано с частотными свойствами ОУ: это оче-видно, так как длительность фронтов τ_фр ~ 1/f_{в. гр}, где f_{в. гр} – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с f_{в. гр} одну и ту же физическую природу).

7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (t_н) и время установления (t_у). Очевидно, что τ_фр = t_н + t_у. Если фронт – апериодический, то t_у = 0 и τ_фр = t_н. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитно-му самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность само-возбуждения выше, чем при апериодическом. Значение периода затухающих колебаний на вершине импульса с квазигармоническим фронтом позволяет оценить, на какой частоте имеет место угроза паразитного самовозбуждения.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напря-жения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряже-ния, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель ма-кета приведена на рис. 6.4.

С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R1 = 100 Ом, R2 = 10 кОм, R12 = 100 кОм, R13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R14 – R17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R8 – R10, а также цепочка R11 – С4 позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Измерить напряжение смещения (U_см):

а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R1, неин-вертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока;

б) снять показание вольтметра (U_вых ОУ);

в) рассчитать напряжение смещения по формуле U_см = – U_вых(R1/ R12).

3. Исследовать передаточные характеристики ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник по-стоянного напряжения через резистор R2, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R14, а также вольтметр постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R8;

б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать потенциометр R8 до тех пор, пока U_см не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В;

в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В.

г) повторить измерение п. 3в, заменив нагрузку R14 на R15 (R15 < R14).

4. Исследовать АЧХ ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R2 генератор гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф;

б) поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя U_вых) до тех пор, пока U_вых не снизится до уровня входного сигнала, т. е. до 20 мВ. Частота, при которой U_вых оказывается равным U_вх, называется частотой единичного усиления;

в) заменить в обратной связи R12 на большее сопротивление R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе частоту 1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ;

г) увеличивая частоту сигнала, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является верхней границей полосы усиления максимальной мощности.

5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала.

Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τ_фр, рассчитать .

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения f_ЕУ, f_УММ, τ_фр, ).

3. Выводы.

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ КОРРЕКЦИИ

ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения.

Основные сведения. В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопрекиeeфункциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд Кγ  1 и баланса фаз Δφ_К + Δφ_γ = n  360°, n = 0, 1, 2, ..., где К и γ – соответственно, коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи;Δφ_К и Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения Δφ_К. Если допустить, что значения γ и Δφ_γ от частоты не зависят, причем Δφ_γ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где Δφ_К = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты Δφ_К возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ .

Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению.

Рис 7.1

Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя.

Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на частотах, где Δφ_К достигает 360°.

Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь, реактивных) элементов называется коррекцией. Цель коррекции может быть разной. В транзисторных усилителях ею пользуются обычно для поднятия коэффициента усиления, в том числе и на высоких частотах: у этих схем К намного ниже, чем у ОУ, и угроза паразитного самовозбуждения менее существенна. У схем на базе ОУ, напротив, с помощью коррекции, как правило, снижают коэффициент усиления в диапазоне частот, где имеется риск самовозбуждения.

Рис. 7.2.

Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). В данной работе рассматриваются однополюсная и двухполюсная коррекции, коррекция с помощью параллельного канала и коррекция с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно одному из усилительных каскадов ОУ емкости С_K (рис. 7.2). Эта емкость на высоких частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Недостатком коррекции является существенное уменьшение полосы усиления ОУ и, как следствие, снижение скорости нарастания импульсных сигналов.

а	б
Рис. 7.3

Схема двухполюсной коррекции приведена на рис. 7.3, а: она состоит из двух конденсаторов С₁ и С₂ и резистора R₃, причем С₂  10С₁. Действие схемы различно на разных частотах: при достаточно малых значениях частоты сопротивление С₂ велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С₂ уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается в цепь однополюсной коррекции, причем функцию С_K выполняет эквивалентная емкость С_э = С₁С₂/(С₁ + С₂). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 7.3, б изображены амплитудно-частотные характеристики ОУ без коррекции (1), при использовании однополюсной (2) и двухполюсной (3) коррекций.

Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4), в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ.

Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала.

Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе Δφ_К сдвигом фаз в цепи коррекции, так как Δφ_К и Δφ_кор имеют разные знаки (рис. 7.6, где кривая 1 – график Δφ_К; 2 – график Δφ_кор; 3 – их суммы).

Введение коррекции наряду с решением главной задачи – предотвращением паразитного самовозбуждения схемы на основе ОУ – влечет за собой ухудшение ее частотных свойств. В разной степени, но непременно уменьшаются полоса пропускания усилителя и скорость нарастания выходного напряжения. Многообразие цепей коррекции позволяет разработчикам решать проблему устойчивости схем с учетом требований к другим важным параметрам ОУ.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меанд-ра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Схема макета приведена на рис. 7.7. В разделе «Порядок выполнения работы» использованы номера резисторов и конденсаторов, указанные на ней.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Проверить усилитель на склонность к возбуждению.

а) соединить оба входа ОУ с землей: инвертирующий – через сопротивление R1, неинвертирующий – через R5 на лицевой панели макета. Охватить усилитель обратной связью – сопротивлением R6. К выходу ОУ подключить осциллограф;

б) изменяя значение R6, определить зоны устойчивой и неустойчивой работы усилителя по изображению на экране осциллографа (при устойчивой работе на экране наблюдается прямая горизонтальная линия, возможно с наложением на нее небольших шумов внешнего происхождения; при неустойчивой – широкая полоса). Зафиксировать значения R6, соответствующие обеим зонам.

3. Измерить АЧХ усилителя:

а) гармонический сигнал от генератора подать через R1 на инвертирующий вход, неинвертирующий оставить заземленным через R5. К выходу ОУ параллельно осциллографу подключить вольтметр;

б) установить уровень гармонического сигнала на входе усилителя 10 мВ

и, поддерживая ее постоянной, изменять частоту в пределах от 20 кГц до 2 МГц, измеряя при этом значение выходного сигнала с помощью вольтметра. Опыт проделать для значений R6, соответствующих устойчивой работе усилителя.

4. Исследовать форму импульсов на выходе усилителя при разных значениях сопротивления в обратной связи:

а) переключить генератор в режим формирования меандра амплитудой 10 мВ и частотой следования 20 кГц, сохранив на лицевой панели макета все перемычки, установленные при выполнении п. 3;

б) зарисовать (сфотографировать) осциллограммы импульсов при тех же значениях потенциометра R6, что и в п. 2 и 3, измерить длительности их фронтов (τ_фр). Рассчитать скорость нарастания сигнала по формуле  ≈ 2Е/τ_фр.

5. Подключить к ранее собранной схеме однополюсную коррекцию ОУ (функцию корректирующей емкости выполняет в макете конденсатор С5). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения однополюсной коррекции.

6. Заменить однополюсную коррекцию двухполюсной (функцию цепи двухполюсной коррекции выполняют в макете конденсаторы С6, С7 и R7). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения двухполюсной коррекции.

7. Заменить двухполюсную коррекцию схемой коррекции с помощью параллельного канала (функцию цепи коррекции выполняют в макете конденсаторы С2 и С3). Повторить п. п. 2–4.

8. Исследовать схему коррекции с фазовым запаздыванием. При выполнении п. 8 подключить генератор к неинвертирующему входу ОУ через резистор R3, а инвертирующий вход ОУ заземлить через R2. Сохранить подключение R6 между инвертирующим входом и выходом ОУ. Функцию цепи коррекции выполняют последовательно соединенные С1 и R4, ее следует подсоединить между входами ОУ. Повторить п. п. 2–4 для случая подключения коррекции с фазовым опережением.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Значения сопротивления R6, соответствующие зонам устойчивой и неустойчивой работы ОУ (согласно п. п. 2, 5–8)

3. Графики АЧХ (согласно п. п. 3, 5–8)

4. Зарисовки (или фотографии) импульсов, значения длительностей их фронтов и скоростей нарастания (согласно п. п. 4, 5–8)

5. Выводы.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРОВ

Целью работы является практическое ознакомление с генераторами гармонических колебаний низкой частоты на основе RC-генераторов.

Основные сведения. Под генератором, или автоколебательным устройством, подразумевается первичный источник колебаний, работающий в режиме самовозбуждения. Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания (обычно в виде постоянного тока) в энергию колебаний. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

Кγ ≥1; (8.1)

Δφ_К + Δφ_γ = n  360°, n = 0, 1, 2,… (8.2)

где К, γ – коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ_К , Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

Выражение (8.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (8.2) показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. сдвиг фаз в генераторе должен быть равен n  360°. Чтобы автоколебания были гармоническими, необ-ходимо, чтобы баланс амплитуд и баланс фаз быстро нарушались по обе стороны от частоты генерации. Для этого цепь обратной связи выполняют избирательной с помощью RС-цепочек. Квазирезонанс наступает на частоте

f₀ = 1/ (2πRC) (8.3)

Рассмотрим схемы генераторов с различными RC-цепочками в цепи обратной связи. Схема RC-генератора с мостом Вина приведена на рис. 8.1.

Так как в схеме моста Вина на частоте f₀ сдвиг фаз равен 0, а коэф-фициент передачи γ = 1/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, получим автогенератор.

Коэффициент усиления отрицательной обратной связи схемы регулируется с помощью сопротивления R₃ в цепи отрицательной обратной связи.

Схема RC-генератора с двойным Т-образным мостом приведена на рис. 8.2. Так как мост является режекторным фильтром, то он включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. В результате этого усилитель на всех частотах, кроме частоты f₀, охвачен сильной отри-цательной обратной связью. Кроме того, усилитель охвачен неглубокой положительной обратной связью, выполненной на сопротивлениях R₄ и R₅. На всех частотах, кроме f₀, отрицательная обратная связь влияет сильнее, чем положительная, поэтому генерация имеет место лишь на частоте f₀.

Схема генератора, в котором используется трехзвенная RC-цепочка, приведена на рис. 8.3. Такая цепочка включается в цепь отрицательной обратной связи. С помощью сопротивлений R₁ – R₃ устанавливается сдвиг фаз φ₀, который на некоторой частоте f₀ будет равен 180°.

В этом случае будет выполняться условие баланса фаз, и при некотором коэффициенте усиления операционного усилителя, регулируемом сопротивлением R₄, будет компенсироваться затухание в цепи обратной связи и в схеме возникнут автоколебания. Изменение значения одного из элементов RC-цепочек приводит к изменению сдвига фаз и, соответственно, смещает частоту генерации.

Схема с двойным Т-образным мостом обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации.

Для всех рассмотренных типов RC-генераторов весьма актуальным яв-ляется сохранение хорошей формы гармонических колебаний при перестройке частоты, изменении внешних условий, напряжения питания, значения нагрузки. Режимы насыщения и отсечки у транзисторов наступают резко, что приводит к нелинейным искажениям сигнала.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят макет, осциллограф, генератор гармонических сигналов, вольтметр переменного напряжения и цифровой частотомер и измеритель нелинейных искажений.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследование RС-генератора с мостом Вина (см. рис. 8.1):

а) рассчитать по формуле (8.3) частоту колебаний генератора (f₀) для схемы, элементы которой имеют параметры, указанные преподавателем;

б) снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина в диа-пазоне частот (0,5…1,5)f₀. Для этого подать с генератора низкой частоты на вход моста Вина гармонический сигнал амплитудой 1…2 В, амплитуду выходного сигнала измерять с помощью милливольтметра. На частоте квазирезонанса f₀ измерить коэффициент передачи цепи;

в) снять фазочастотную характеристику моста Вина в диапазоне частот (0,8…1,2) f₀. Измерения произвести с помощью осциллографа;

г) собрать схему генератора с мостом Вина в цепи обратной связи и с помощью потенциометра R₃ добиться возникновения колебаний. Цифровым частотомером измерить частоту колебаний f₀;

д) меняя регулировочным сопротивлением значение отрицательной обратной связи (а значит, и коэффициент усиления К), определить минимальный коэффициент усиления, при котором возможно возникновение генерации. Для этого необходимо добиться возникновения в схеме генерации и с помощью милливольтметра измерить исходное напряжение генерации (U_ген). Затем разомкнуть цепь обратной связи, отключив мост Вина от усилителя, подать на неинвертирующий вход ОУ напряжение с генератора гармонических сигналов с частотой f = f₀ и такой амплитудой U_вх, при которой выходное напряжение усилителя будет равно U_ген. Коэффициент усиления определяется по формуле

К = U_вых / U_вх.

3. Исследование RC-генератора с двойным Т-образным мостом (см. рис. 8.2) в соответствии с методикой, изложенной в п. 2, а–е.

4. Исследование RC-генератора с трехзвенной RC-цепью:

а) собрать схему генератора с трехзвенной RC-цепью (см. рис. 8.3). Изменяя параметры звена обратной связи (сопротивления R₁ – R₃), а также коэффициент усиления усилителя (сопротивление R₄), добиться возникно-вения генерации. Наличие генерации определить по показаниям милливольтметра или осциллографа, подключенного к выходу макета;

б) измерить частоту колебаний автогенератора;

в) произвести исследования по методике, изложенной в п. 2, а–е.

Содержание отчета:

1. Схемы исследуемых генераторов и схемы соединения приборов.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4.

3. Выводы.