- •«Южно-российский государственный технический университет (новочеркасский политехнический институт)»
- •Новочеркасск 2011 г.
- •Лабораторная работа № 1 исследование формирования электрических сигналов с помощью пассивных rc - цепей.
- •Лабораторная работа № 2 исследование пассивных rc – цепей в качестве фильтров гармонических сигналов.
- •Лабораторная работа № 3 исследование однофазных выпрямителей
- •Лабораторная работа № 4 исследование влияния параметров сглаживающего фильтра, нагрузки и диода на работу выпрямителя
- •Лабораторная работа № 5 исследование статических проходных характеристик биполярного транзистора
- •Лабораторная работа № 6 исследование характеристик биполярного транзистора в активном режиме работы
- •Лабораторная работа № 7 Исследование динамических характеристик транзистора в ключевом режиме работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8 исследование усилительных каскадов на базе операционных усилителей
- •Контрольные вопросы
- •Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы электроники»
- •346 428, Г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.
Контрольные вопросы
Как осуществить работу транзистора в ключевом режиме?
Как уменьшить время перехода транзистора из закрытого состояния в открытое?
Как влияет на работу транзистора в ключевом режиме индуктивная нагрузка в цепи коллектора?
Как уменьшить величину перенапряжения на коллекторе транзистора при его работе в ключевом режиме на индуктивную нагрузку?
Лабораторная работа № 8 исследование усилительных каскадов на базе операционных усилителей
Цель работы - ознакомиться с операционным усилителем (ОУ), его техническими характеристиками и исследовать три основных схемы усилителей с ОУ.
Используемое оборудование:
испытательный стенд;
двухканальный осциллограф;
двухполярный источник питания 12 В;
цифровой вольтметр (типа В7-22, В7-27);
генератор сигналов;
потенциометрических делитель напряжения.
Программа работы
1. Используя справочник по интегральным микросхемам, ознакомьтесь со схемой и техническими характеристиками операционного усилителя, используемого в стенде.
2. Соберите схему усилительного каскада с последовательной обратной связью по напряжению согласно рис.8.1 (неинвертирующий усилитель).
Рис.8.1
Подключите питание – двухполярный источник постоянного напряжения 12В. Закоротите входные зажимы ОУ и с помощью осциллографа убедитесь, что напряжение на выходе усилителя близко к нулю. Возможно появление высокочастотных колебаний (самовозбуждение), в этом случае включите цепь частотной коррекции, рекомендуемую в справочнике по операционным усилителям, и добейтесь отсутствия колебаний.
2.1. Определите с помощью цифрового вольтметра напряжение смещения нуля на выходе ОУ и его знак. Разделите полученную величину на коэффициент усиления, равный 11, и сравните приведенное по входу напряжение смещения нуля со справочными данными. Включите цепь коррекции нуля и добейтесь минимально возможной величины напряжения на выходе ОУ. Запишите значения напряжения смещения на выходе ОУ без коррекции и с коррекцией.
2.2. Подключите по входу усилителя генератор синусоидальных сигналов. Установите частоту сигнала 1000 Гц и, плавно увеличивая напряжение генератора, проследите за величиной и формой выходного напряжения. Для этой цели подключите входы двухканального осциллографа к входу и выходу усилительного каскада на ОУ. Убедитесь, что фазы напряжений на входе и выходе совпадают. Зарисуйте полученные осциллограммы. Убедитесь также в том, что выходные уровни напряжений в усилителе ограничены.
Определите предельные уровни выходных напряжений и сравните полученные значения с уровнями напряжений питания.
Определите методом двойной амплитуды (по возможности точнее) коэффициент усиления и сравните полученное значение с расчетным, определенным по формуле:
.
Проверьте с помощью омметра фактические значения резисторов R1 и R2 и уточните расчетное значение коэффициента усиления.
Изменяя частоту входного сигнала в сторону ее уменьшения, убедитесь, что усилитель работоспособен при сколь угодно медленных колебаниях сигнала (форма, амплитуда и фаза выходного сигнала остаются неизменными).
Изменяя частоту входного сигнала в сторону ее увеличения, определите высокочастотную границу рабочего диапазона частот усилителя.
2.3. Определите быстродействие усилителя как скорость изменения выходного напряжения. Для этого подключите ко входу генератор прямоугольных импульсов с амплитудой 0,5 – 2 В и частотой 20 – 50 кГц. Форма выходных импульсов обычно бывает трапецеидальной. Быстродействие определите по наклону фронта или спада выходного импульса Uвых/tф (В/мкс). Сравните полученную величину с паспортными данными на операционный усилитель.
3. Соберите инвертирующий усилитель по схеме согласно рис.8.2.
Рис.8.2
Входное сопротивление этого усилителя равно сопротивлению резистора R1, а коэффициент усиления определяется отношением:
.
3.1. Подключите к входу усилителя генератор синусоидальных сигналов. Установите частоту сигнала 1000 Гц и, плавно увеличивая напряжение генератора, проследите за величиной и формой выходного напряжения. Для этой цели подключите входы двухканального осциллографа к входу и выходу усилительного каскада на ОУ. Убедитесь, что фазы напряжений на входе и выходе ОУ сдвинуты на 180 эл. град.. Зарисуйте полученные осциллограммы.
Определите методом двойной амплитуды (по возможности, точнее) коэффициент усиления и сравните полученное значение с расчетным, с учетом фактических значений R1 и R2.
3.2. Измерьте внутренний коэффициент усиления операционного усилителя. Для этого установите частоту сигнала 50 Гц и напряжение на выходе близкое к ограничению. С помощью цифрового вольтметра В7-22 проведите измерение напряжений на выходе и непосредственно на инверсном входе ОУ UД, по отношению этих напряжений определите внутренний коэффициент усиления
.
4. Соберите дифференциальный усилительный каскад по схеме согласно рис.8.3.
В этом каскаде важно выполнение равенства
.
Рис.8.3
В лабораторном стенде резистор R2' регулируется в пределах от 90 до 110 кОм. Отрегулируйте усилитель. Для этого подайте на оба входа один и тот же сигнал и добейтесь регулировкой R2' отсутствия напряжения на выходе.
Убедитесь в работоспособности усилителя, подавая на его входы напряжения с разными уровнями и полярностью. Напряжения можно получить с помощью потенциометрических делителей напряжения, включаемых между источниками питания +12В и –12 В.
Контрольные вопросы
Что такое операционный усилитель?
Какими техническими данными характеризуются ОУ?
Перечислите известные функциональные возможности операционного усилителя.
От чего зависит коэффициент усиления каскада с ОУ?
От чего зависит частотный диапазон схемы с ОУ?
Какую величину имеет входное и выходное сопротивление ОУ?
Изобразите схемы усилительных каскадов на базе операционного усилителя и охарактеризуйте каждую из них.
Лабораторная работа № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ СХЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель работы - исследовать различные варианты практических схем с использованием ОУ.
Используемое оборудование:
испытательный стенд;
двухканальный осциллограф;
двухполярный источник питания 12 В;
регулируемый блок питания Б5-47(46);
цифровой вольтметр (типа В7-22, В7-27);
генератор сигналов.
Программа работы
1. Соберите фильтр низких частот по схеме согласно рис.9.1.
Подайте на вход схемы напряжение с выхода генератора сигналов и, регулируя его частоту fг, снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) фильтра k = f(fг). Убедитесь, что в области низких частот коэффициент передачи фильтра равен R2/R1, а верхняя граничная частота (частота среза fc на уровне –3 db)
.
Рис.9.1
Наклон частотной характеристики в полосе затухания, справа от частоты среза fc составляет 6 дБ/октаву (напряжение падает вдвое при двойном увеличении частоты).
Отключите конденсатор С1 и снимите аналогично АЧХ ОУ без частотной коррекции. Сравните обе характеристики между собой.
2. Соберите схему сумматора напряжений (рис.9.2).
Рис.9.2
Подайте на входы схемы одинаковые по амплитуде (примерно 0,5 В) и фазе напряжения от двух генераторов с частотой 1000 Гц (для этого необходимо оба генератора соединить по выходу и входу синхронизации). Измерьте оба входных напряжения и выходное с помощью осциллографа и убедитесь, что выходное напряжение представляет усиленный в k = R2/R1 раз и сдвинутый по фазе на 180 эл. град. сигнал от суммы двух входных сигналов.
Установите частоту одного из генераторов 10000 Гц и зарисуйте осциллограммы входных и выходного сигнала. Полученный выходной сигнал представляет собой сумму двух входных сигналов разной частоты, усиленную в k раз, и в качественном отношении представляет вариант амплитудной модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным.
3. Соберите линейный выпрямитель по схеме согласно рис.9.3.
'
Рис.9.3
Подайте на вход ОУ переменное синусоидальное напряжение с частотой 1000 Гц. К выходу подключите осциллограф и цифровой вольтметр постоянного напряжения.
Снимите передаточную характеристику Uвых = f(Uвх). Убедитесь, что характеристика линейна и описывается выражением
,
где Uвх – действующее значение входного переменного напряжения.
Для лучшего понимания работы выпрямителя посмотрите с помощью осциллографа напряжения в точке соединения резисторов R2 и R3. Определите назначение элементов R3, C1.
8. Соберите схему функционального преобразователя согласно рис.9.4.
Подайте на вход ОУ напряжение от источника постоянного регулируемого напряжения положительной полярности. Подключите к выходу вольтметр постоянного напряжения. Снимите передаточную характеристику Uвых = f(Uвх). Убедитесь, что передаточная характеристика кусочно-линейная. Найдите ориентировочно точки перегиба. Проанализируйте работу схемы.
Рис.9.4