\МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

АНАЛОГОВА СХЕМОТЕХНІКА

АНАЛОГОВІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ

Методичні рекомендації до виконання

лабораторних робіт для студентів напрямів

0907 “Радіотехніка”, 1001 “Авіація та космонавтика”,

0910 “Електронні апарати”, 0908 “Електроніка”

Київ 2006

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

АНАЛОГОВА СХЕМОТЕХНІКА

АНАЛОГОВІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ

Методичні рекомендації до виконання

лабораторних робіт для студентів напрямів

0907 “Радіотехніка”, 1001 “Авіація та космонавтика”,

0910 “Електронні апарати”, 0908 “Електроніка”

Київ 2006УДК 621.38 (076.5)

ББК 3973.3 р

А 64

Укладачі: О.І Давлет’янц, М.А Миронов

Рецензент Г.Ф Конахович

Затверджено на засіданні науково-методично-редакційної ради Інституту електроніки та систем управління НАУ 13 грудня 2004 року.

Аналогова та цифрова схемотехніка. Аналогові еле-

А 64 ктронні пристрої: Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт / Уклад.: О.І Давлет’янц, М.А Миронов. К.: НАУ, 2005. – 73 с.

Лабораторні роботи містять описи лабораторних робіт з дослідження аналогових електронних схем та порядок їх виконання, короткі теоретичні відомості і питання для самоперевірки.

Призначені для студентів напрямів 0907 “Радіотехніка”, 1001 “Авіація та космонавтика”, 0910 “Електронні апарати”, 0908 “Електроніка”

Загальні методичні вказівки

Для правильного розуміння роботи електронних пристроїв, вибору та розрахунків конкретних схем, а також для надбання практичних навичок настроювання та вимірювання основних параметрів діючих пристроїв необхідно виконати лабораторні роботи з дослідження найбільш часто застосовуваних в електронному обладнанні схем.

Лабораторні роботи являють експериментальні дослідження, які передбачають: спостереження осцилограм електричних процесів у різних точках досліджуваних схем при варіаціях параметрів елементів цих схем і заданих початкових умовах; виконання вимірювань основних параметрів і характеристик схем; проведення порівняльного аналізу показників різноманітних схем одного призначення.

Лабораторні роботи з курсів “Аналогова схемотехніка” і “Аналогові електронні пристрої” виконуються за наступними розділами: підсилювальні пристрої; генератори та формувачі електричних сигналів. Всі лабораторні роботи виконуються на універсальному лабораторному стенді, який містить широкий ряд електронних модулів, що дозволяє досліджувати принципи роботи різних аналогових електронних схем, проводити вимірювання їх основних параметрів у різних режимах роботи.

Перед виконанням лабораторної роботи необхідно вивчити короткі теоретичні відомості, що подаються в кожній роботі, і теоретичний матеріал до даної теми, який висвітлюється на лекціях і в літературі. Потім слід ознайомитися зі схемою лабораторного модуля і порядком виконання роботи. Усі результати експериментів оформлюються протоколом.

Перед захистом лабораторних робіт необхідно відповісти на запитання для самоперевірки.

Лабораторна робота 1 дослідження схем увімкнення біополярних транзисторів у підсилювальних каскадах

Мета роботи – дослідити характеристики і параметри підсилювальних каскадів при ввімкненні біполярних транзисторів за схемами зі спільним емітером (СЕ), спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Короткі теоретичні відомості

Підсилювач електричних сигналів (електронний підсилювач) – це пристрій, призначений для підсилення потужності сигналів шляхом використання енергії джерела живлення. В електронних підсилювачах джерело живлення звичайно є джерелом постійного струму.

Як пристрій електронний підсилювач являє собою чотириполюсник, тобто об’єкт, що має дві пари полюсів: до однієї пари (вхідні полюси, або вхід підсилювача) підводять вхідний сигнал, який підлягає підсиленню, а до другої пари (вихідні полюси, або вихід підсилювача) підключають споживач підсиленого сигналу, який називають навантаженням. Якщо до виходу підсилювача навантаження не підключати, то підсилювач знаходиться в режимі холостого ходу. Сигнал на виході підсилювача називають вихідним сигналом. Електричні сигнали за фізичною природою можуть бути напругами чи струмами, які в загальному випадку змінюються у часі. Ідеальний підсилювач повинен збільшувати потужність сигналів з абсолютно точним збереженням їх форми при будь-яких рівнях вхідних сигналів. Реальні підсилювачі можуть лише наближатися до ідеальних у певному діапазоні рівнів вхідних сигналів. Для оцінки ступеню наближення реальних підсилювачів до ідеального їх характеризують рядом характеристик і параметрів, які визначаються при гармонічних вхідних сигналах.

До основних параметрів підсилювача відносять такі:

1. коефіцієнт підсилення напруги:

K_u = U_вих / U_вх;

струму:

K_i = I_вих / I_вх;

потужності:

K_P = P_вих / P_вх,

де U_вх, I_вх і P_вх – амплітуди напруги та струму і активна потужність вхідного сигналу;

1. вхідний опір – активний опір між вхідними полюсами підсилювача:

R_вх = U_вх / I_вх;

2. вихідний опір – активний опір між вихідними полюсами підсилювача, який визначається як відношення амплітуди вихідної напруги в режимі холостого ходу підсилювача U_х до амплітуди струму короткого замикання І_кз. R_вих = U_х / І_кз. В реальних (фізично реалізованих) підсилювачах, R_вх і R_вих мають скінченні, відмінні від нуля значення;

2. коефіцієнт корисної дії – відношення активної потужності у навантаженні (корисної вихідної потужності) P_вих до активної потужності, споживаної від усіх джерел живлення (витраченої потужності) P₀:  = P_вих / P₀. В ідеального підсилювача  =1. У реальних підсилювачах завжди   1.

До основних характеристик підсилювача відносяться амплітудна, амплітудно-частотна (АЧХ) і фазочастотна характеристики (ФЧХ). Амплітудна характеристика являє залежність амплітуди першої гармоніки вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу. В ідеального підсилювача вона є прямою лінією (штрихова лінія на рис.1.1,а), тангенс кута нахилу якої до осі U_вх є коефіцієнт підсилення підсилювача. У реальних підсилювачів амплітудна характеристика близька до лінійної лише в обмеженому діапазоні амплітуд вхідного сигналу (ділянка аб на рис.1.1,а). За верхньою межею цього діапазону амплітудна характеристика відхиляється від прямої, що веде до виникнення у вихідному сигналі гармонік з кратними частотами і спотворення форми вихідного сигналу порівняно зі вхідним.

Такі спотворення називають нелінійними. Нелінійні спотворення оцінюють за допомогою коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік) K_г:

K_г = ,

де P_n – активна потужність n-ї гармонічної складової, а P₁ – активна потужність основної гармоніки у вихідному сигналі.

Рис.1.1

Ця формула має також еквівалентний вигляд:

K_г = ; K_г = ,

де U_n, U₁, I_n, I₁ – амплітуди n–их та перших (основних) гармонік вихідних напруг і струмів. Коефіцієнт гармонік є одним з основних параметрів підсилювача. При практичних вимірюваннях (експериментальному визначенні) коефіцієнта гармонік замість амплітуд напруг і струмів переважно використовують їх ефективні (діючі) значення, які для гармонічних струмів і напруг становлять:

U_еф = , I _еф = .

Допустиме значення коефіцієнта гармонік K_г обмежує максимально допустиму амплітуду вхідного сигналу U_{вх max} .

Знизу амплітуда вхідного сигналу обмежується рівнем власних шумів. Мінімально допустима амплітуда вхідного сигналу U_{вх min} повинна у два – три рази перевищувати рівень власних шумів. Діапазон допустимих значень амплітуд (або потужностей) вхідного сигналу називають динамічним діапазоном підсилювача D. Величину параметра D оцінюють відношенням:

D = U_{вх max} / U_{вх min}

Ідеальний підсилювач повинен зберігати форму вхідного сигналу. Це стає можливим, якщо коефіцієнт підсилення підсилювача є однаковим для будь-яких частот вхідного сигналу на лінійній ділянці амплітудної характеристики. В ідеальному підсилювачі коефіцієнт підсилення не залежить від частоти. В реальних підсилювачах величина коефіцієнта підсилення є різною для різних частот вхідного сигналу. Залежність коефіцієнта підсилення від частоти називають АЧХ підсилювача K(f). На рис.1.1,б наведені АЧХ ідеального (штрихова лінія) і реального (суцільна лінія) підсилювачів. Відхилення АЧХ від рівномірної (ідеальної) призводить до виникнення спотворень форми вихідного сигналу, які називають частотними спотвореннями. Кількісно частотні спотворення оцінюють за допомогою параметра М – коефіцієнта частотних спотворень:

М = K(f) / K(f_ср),

де f_ср – деяка середня частота (рис.1.1,б). При відхиленні частоти від f_ср коефіцієнт підсилення K(f) змінюється. Частоти по обидві сторони від f_ср, на яких коефіцієнт частотних спотворень досягає значень М_гр = 1/ = 0,707, звуть нижньою f_н і верхньою f_в граничними частотами, частотний інтервал f_н – f_в, усередині якого М  0,707, називають робочою смугою частот, або смугою пропускання підсилювача.

Джерелом виникнення спотворень форми вихідного сигналу є також виникнення фазових зсувів при підсиленні вхідного сигналу. Ці спотворення звуть фазовими спотвореннями і оцінюють за допомогою ФЧХ, яка відображає залежність від частоти фазового зсуву  = _вих – _вх, де _вих і _вх – початкові фази гармонічних вихідного та вхідного сигналів. ФЧХ ідеального підсилювача є лінійною функцією частоти (штрихова лінія на рис.1.1,в). Реальні підсилювачі мають приблизно лінійну ФЧХ лише у смузі пропускання.

Для створення електронних підсилювачів сигналів широко використовуються біполярні транзистори. Транзистор разом з елементами, що забезпечують необхідний режим його роботи, утворює підсилювальний каскад. Принцип дії підсилювального каскаду (рис.1.2) для одного з можливих способів увімкнення транзистора полягає в наступному.

Рис.1.2

Резистор навантаження R_н підключається до джерела колекторної напруги транзистора Е_к послідовно з проміжком колектор – емітер транзистора. Транзистор є напівпровідниковим електронним приладом, тобто струм через проміжок колектор-емітер може протікати лише за певної полярності напруги на електродах проміжку. Тому джерело Е_к повинно бути джерелом постійної напруги. Полярність підключення джерела живлення Е_к визначається типом провідності транзистора і наведена на рис.1.2,а для транзистора типу n – p – n, а на рис.1.2,б для транзистора типу p – n – p. Джерело живлення Е_к, опір навантаження R_н та проміжок емітер – колектор транзистора утворюють колекторне коло каскаду, по якому тече колекторний струм транзистора, а джерело сигналу u_вх і проміжок база-емітер – базове коло каскаду. Необхідні допоміжні елементи поки що не враховуються. У разі правильної полярності джерела Е_к в колекторному колі протікатиме колекторний струм і_к, якщо в базовому колі протікатиме базовий струм і_б. Величина колекторного струму залежить від величини струму бази у першому наближенні за пропорційним законом, завдяки чому форма струму і_к повторює форму струму і_б. При цьому від джерела живлення Е_к споживається енергія з потужністю значно більшою, ніж в базовому колі, оскільки в транзисторах і_к  і_б. Таким чином ефект підсилення сигналу полягає в тому, що слабший струм і_б керує через струм і_к процесом споживання енергії джерела Е_к, тобто процесом перетворення енергії джерела постійного струму в енергію змінного струму і_к, який змінюється за законом зміни струму і_б. У свою чергу струм і_б змінюється приблизно за законом зміни напруги вхідного сигналу u_вх.

Основні параметри та характеристики підсилювальних каскадів залежать не лише від фізичних властивостей транзистора, але й від того, яким способом він з’єднується з джерелами колекторного живлення та сигналу. Можливі три способи увімкнення транзистора: зі спільним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) та спільним колектором (СК). За цими способами один з електродів транзистора з’єднується за змінною складовою струмів і_к та і_б, зі спільною точкою 0 з’єднання джерела сигналу та колекторної напруги.

В розглянутій схемі, наведеній на рис.1.2, транзистори увімкнені за схемою зі спільним емітером, оскільки до точки з’єднання джерел Е_к та u_вх підключається емітер транзистора. Схеми увімкнення транзистора зі спільною базою і спільним колектором наведені на рис.1.3 та 1.4 (для транзисторів типу n – p – n).

На рис.1.4 колектор безпосередньо не є приєднаним до точки 0, але для змінної складової колекторного струму і_к внутрішній опір джерела Е_к значно менший за опір R_н і практично може вважаться рівними нулю, тобто це дійсно схема увімкнення транзистора зі спільним колектором.

Вибір способу увімкнення транзистора здійснюють, виходячи з призначення підсилювального каскаду, керуючись такими основними положеннями.

Коефіцієнт підсилення напруги K_u є найбільшим у схемах СЕ і СБ. У схемі СК K_u дещо менший за одиницю. Коефіцієнт підсилення струму K_і є найбільшим у схемі СЕ і таким самим у схемі СК. У схемі СБ K_і трохи менший за одиницю.

Коефіцієнт підсилення потужності є найбільшим у схемі СЕ і значно менший у схемах СБ та СК. Вхідний опір є найбільшим у схемі СК і найменшим у схемі СБ. Вихідний опір є найбільшим у схемі СБ і найменшим у схемі СК. У схемі СЕ інвертується вихідна напруга, у схемах СБ та СК вихідна напруга є синфазною зі вхідною. Схема СЕ є найбільш нестабільною та підпадає під вплив зовнішніх чинників (наприклад, температури). Крім того схема СЕ забезпечує дещо більші значення коефіцієнта нелінійних спотворень та дещо меншу ширину робочої смуги частот порівняно зі схемами СБ та СЕ.

Рис.1.3 Рис.1.4

Схема лабораторного модуля для проведення досліджень

Лабораторний модуль для проведення досліджень схем увімкнення транзистора у підсилювальних каскадах містить схеми СЕ (рис.1.5), СК (рис.1.6) і СБ (рис.1.7), які графічно відображені на панелі лабораторного стенду “Досліджувані схеми”. Вибір тієї чи іншої схеми здійснюється шляхом вмикання її живлення за допомогою тумблерів (вимикачів) “1”, “2”, “3”. В контрольних точках схем встановлені контрольні гнізда XS1...XS6. Для спостереження процесів у контрольних точках досліджуваних схем та вимірювань їх параметрів використовується осцилограф типу С1 – 65А і вольтметр типу В3 – 38А. Збудження гармонічних вхідних сигналів здійснюється за допомогою генератора тональних сигналів типу Г3 – 109.