Порядок виконання роботи

1. Дослідити двотактний каскад у режимі 1.

1.1. Увімкнути лабораторний стенд і модуль 7.

1.2. Встановити перемикачі у такі положення: SА1 – “1”, SА2 – уверх, SА3 – ліворуч. З’єднати вихід генератора гармонічних сигналів зі входом каскаду (гніздо XS1), а вхід осцилографа – з виходом каскаду (гніздо XS4). Встановити рівень максимально можливим (починаючи з 20 мВеф), при якому на екрані осцилографа ще не спостерігаються обмеження рівня гармонічного сигналу.

1.3. Зарисувати осцилограми сигналів в контрольних гніздах XS2.... XS4, визначити за ними кут відсічки для кожного з сигналів і режими роботи кожного з транзисторів у каскаді.

2. Дослідити двотактний каскад у режимі 2.

2.1. Встановити перемикачі у такі положення: SА1 – “2”, SА2 – уверх, SА3 – праворуч. Рівень гармонічного вхідного сигналу встановити максимально можливим, при якому на екрані осцилографа ще не спостерігаються спотворення форми сигналу.

2.2. Повторити операції за п.1.3.

3. Дослідити двотактний каскад у режимі 3.

3.1. Встановити перемикачі у такі положення: SА1 – “3”, SА2 – уверх, SА3 – праворуч. На вхід каскаду подати гармонічний сигнал із максимально можливим рівнем.

3.2. Повторити операції за п.1.3.

4. Для режиму роботи каскаду, вказаного викладачем, дослідити вплив величини ємностей С₃, С₄ на АЧХ двотактного каскаду. Встановити перемикач SА3 – ліворуч. Виміряти значення АЧХ каскаду для кожної з ємностей С₃ і С₄ та побудувати ці характеристики на одному графіку у логарифмічному масштабі.

Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1. Принципову електричну схему досліджуваного модуля.

2. Осцилограми напруг в контрольних точках для всіх режимів.

3. Амплітудно – частотні характеристики підсилювача.

4. Висновки за результатами роботи.

Література: [2, с.263 – 272]; [3, с.37 – 40]; [4, с.108 – 113].

Питання для самоперевірки

1. Які режими роботи транзисторів розрізняють в підсилювальних каскадах?

1. У чому перевага та недоліки кожного з режимів?

1. Які переваги двотактного каскаду перед однотактним?

1. Яка природа спотворень типу сходинки?

1. Чим відрізняється режим АВ від режиму В і для чого він використовується?

1. Які висуваються вимоги до елементів у двотактних каскадах?

Лабораторна робота 5 дослідження схем увімкнення операційних підсилювачів

Мета роботи – дослідити схеми інвертуючого та неінвертуючого увімкнення операційних підсилювачів (ОП), виміряти основні параметри ОП при різних увімкненнях.

Короткі теоретичні відомості

Операційний підсилювач – універсальний високостабільний та високоточний підсилювач постійного струму широкого призначення. Свою назву операційний підсилювач історично отримав за його первісним використанням в аналогових обчислювальних машинах як основний елемент для побудови ланок виконання математичних операцій.

На рис.5.1,а наведено функціональне, а на рис.5.1,б – принципове (електричне) зображення ОП.

Основними конструктивними (зовнішніми) ознаками ОП є симетричний відносно спільного проводу (диференціальний) вхід і несиметричний вихід. До входу ОП (рис.5.1,а лінії 1, 2) можуть приєднуватись два протиполярні джерела сигналу u_вх1 та u_вх2. Але найчастіше одне з цих джерел сигналу є відсутнім і його замінюють активним опором для збереження замкненого кола протікання постійної складової вхідного струму ОП. При цьому вхід ОП залишається диференціальним. Вихід ОП навантажується на активний опір R_н, на якому утворюється вихідна напруга підсилювача u_вих.

Рис.5.1

Структурно типові ОП містять диференціальний каскад (ДК) зі стабілізацією спільного для плечей каскаду струму, вихідний каскад, призначений для перетворення симетричного виходу ДК у несиметричний вихід ОП і проміжний каскад, призначений для збільшення загального коефіцієнта підсилення ОП та узгодження сигналів ДК і вихідного каскаду за постійним струмом. Така структура призводить до достатньо складної електричної схеми ОП з декількома (не менше 7) транзисторами. Але з одного боку, завдяки застосуванню інтеграційних технологій сучасні ОП виконуються у вигляді інтегральних схем і мають габарити не більші, ніж у транзистора середньої потужності, а з іншого боку, складні електричні схеми забезпечують високі технічні показники ОП. Крім того при застосуваннях ОП зовсім не цікавляться їх внутрішньою будовою. Суттєвим є те, які саме показники мають ОП і як вони з’єднуються з зовнішніми колами.

З зовнішніми колами мікросхеми ОП з’єднуються за допомогою електродів, які на корпусі мікросхем маркують номерами, а на принципових схемах ОП (рис.5.1,б) вказують призначення електродів із відповідними номерами. Основними електричними властивостями ОП є великий (10⁴ і більше) коефіцієнт підсилення напруги К_u (у ідеального ОП К_u → ∞), великий (не менше 5 кОм ) вхідний опір R_вх (у ідеального ОП R_вх → ∞), малий (не більше сотень омів) вихідний опір R_вих (у ідеального ОП R_вих = 0). Крім того робоча АЧХ ОП починається з 0 Гц.

Однак ОП є підсилювачами напруги, тобто не здатні забезпечувати великих вихідних потужностей Р_вих (звичайно Р_вих <150 мВт). Тому для досягнення необхідних Р_вих >150 мВт ОП потребують використання зовнішніх підсилювачів потужності.

Проте в електронних пристроях ОП використовуються сумісно з зовнішніми колами, особливо з колами зворотного зв’язку, які сприяють отриманню високих технічних показників цих пристроїв. Основними способами увімкнення ОП (тобто способами з’єднання ОП з зовнішніми колами) є інвертуюче і неінвертуюче увімкнення.

На рис.5.2 наведено схему інвертуючого увімкнення ОП. Для спрощення тут не показані допоміжні зовнішні елементи (джерела живлення – протиполярні джерела постійного струму +Е та –Е, які одними полюсами підключаються до електродів 4 і 7 на рис.5.1,б, а другі їх полюси підключаються до спільного проводу (шини) , а також кола корекції).

Рис.5.2

Вхідний сигнал u_вх подається на інвертуючий вхід ОП і тому вихідна напруга буде протиполярна вхідній. Неінвертуючий (прямий) вхід ОП з’єднаний зі спільною шиною через резистор R₂, який служить для вирівнювання вхідних струмів в плечах ДК. Резистор R_ЗВ разом із резистором R₁ утворюють коло паралельного негативного зворотного зв’язку за напругою. При такому увімкненні ОП разом із зовнішніми колами утворює інвертуючий підсилювач, параметри якого відрізняються від параметрів ОП.

Коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача за напругою становить:

Кu _інв ≈ – R_ЗВ / R1,

де знак “мінус” вказує на інвертування вхідного сигналу. Вхідний опір підсилювача дорівнює R_{вх. інв} ≈ R1. Вихідний опір інвертуючого підсилювача дорівнює:

R_{вих. інв} ≈ R_{вих ,}

де R_вих і К_u – параметри, власне, ОП (без кола ЗЗ). Оскільки звичайно К_{u інв} << К_u, то R_{вих. інв} << R_вих, наведені приблизні формули практично можна вважати точними.

На рис.5.3 наведено схему неінвертуючого підсилювача на ОП.

Рис.5.3

Вхідний сигнал тут подається на неінвертуючий вхід ОП, а на інвертуючий вхід подається сигнал НЗЗ. У даному випадку має місце послідовний НЗЗ за напругою. У неінвертуючого підсилювача коефіцієнт підсилення за напругою становить:

К_{u неінв} ≈ 1+ R_ЗВ / R1.

Вхідний опір становить:

R_{вх. інв} ≈ R_вх ,

а вихідний опір – такий самий, як і в інвертуючого підсилювача. Таким чином, при К_{u неінв} << К_u вхідний опір неінвертуючого підсилювача значно більше від вхідного опору ОП, а вихідний – значно менше вихідного опору ОП.

За відсутності вхідного сигналу напруга на виході ОП повинна точно дорівнювати нулю. В дійсності внаслідок деякої неідентичності плечей ДК вихідна напруга ОП дещо відрізняється від нуля при u_вх = 0. Це явище називається розбалансом ОП. Причини виникнення розбалансу є різними і важко передбачуваними. Тому звичайно ОП балансують за допомогою зовнішніх кіл, які подають на входи ОП компенсуючі напруги зміщення (рис.5.1,б).

Схема лабораторного модуля

Електрична принципова схема досліджуваного лабораторного модуля 12 наведена на рис.5.4. Модуль дозволяє реалізувати за допомогою перемикачів SА1, SА2 інвертуюче та неінвертуюче увімкнення ОП. Змінними резисторами R1 і R7 здійснюється балансування ОП. Змінним резистором R6 регулюється глибина НЗЗ. Діоди VD1 і VD2 служать для захисту ОП від перевищень рівнів вхідних сигналів. Гнізда XS1 та XS3 служать для підключення джерела сигналу, гнізда XS2, XS4 є контрольними. Підключення джерела живлення до модуля здійснюється увімкнення тумблера 12 на панелі “Досліджувані схеми”.

Рис.5.4