Диференціальний підсилювач постійного струму

М ЕТА РОБОТИ: набути навичок балансування схеми диференціального каскаду; навчитись експериментально досліджувати основні характеристики диференціального підсилювача: амплітудну характеристику (АХ), коефіцієнт підсилення, вхідний опір та залежність перерахованих характеристик від режиму роботи.

ОБЛАДНАННЯ: ГН1, ГН2, ГС - генератори напруги та струму; АВМ1, АВМ2 - ампервольтметри; АВО - ампервольтомметр; ИП - джерело живлення; ИВ - індикатор виходу; змінні елементи: резистори R1=R9=12 кОм, R2=R10=1 кОм, R3=R8=3 кОм, R4=2.2 кОм (змінний), R5=1 кОм (змінний), R6=470 Ом (змінний), R7=24 кОм; транзистори V1, V2 типу МП-40; резистори-нагрівачі.

ОПИС ДОСЛІДЖУВАНОЇ СХЕМИ

Принципова електрична схема диференціального підсилювача постійного струму наведена на рис.1, та на трафареті монтажного модуля. Монтаж схеми здійснюється шляхом її набору згідно з програмою роботи.

45

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

1. Строго витримувати полярність електронних конденсаторів.

2. Користуватись відкаліброваним осцилографом, маючи на увазі, що з осцилографа знімаються максимальні значення амплітуд, а з МВ - ефективні.

3. При вхідних напругах, менших 1В, доцільно користуватись внутрішнім подільником ГНЧ (1:10).

ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт має містити: таблиці експериментальних та розрахункових даних, осцилограми; графіки АЧХ в напівлогарифмічному масштабі, побудовані в одних координатах (як експериментальні, так і розрахункові); графіки АХ, побудовані в одних координатах з графіками К=f(U_вх); ВАХ транзистора МП-40 з лініями навантаження по постійній і змінній складовій і з РТ; висновки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке підсилювач? Заступна схема підсилювача.

2. Що таке АЧХ та ФЧХ? Вплив елементів схеми на АЧХ та ФЧХ.

3. Що таке смуга пропускання?

44

6) Фазо-частотною характеристикою (ФЧХ) підсилювача називається залежність аргументу комплексного коефіцієнта підсилення від частоти (рис.5).

Рис.5. Фазочастотна характеристика.

В області середніх частот ( ). Якщо ФЧХ ідеальна, то , тобто пряма. Відхилення від неї викликають фазові перекручення.

Розглянуті частотні характеристики зручно будувати в прямокутних координатах, де вісь частот має логарифмічний масштаб, інакше кажучи, у напівлогарифмічному масштабі.

9

7) Частотна характеристика (ЧХ) (амплітудно-фазова, векторна діаграма), об’єднує в одну залежність амплітудно-частотну та фазо-частотну характеристики підсилювача. Здебільшого ЧХ будують в полярній системі координат, і вона зображається кривою (частотний годограф), яку описує кінець вектора при зміні частоти вхідного сигналу від до (рис.6).

8 ) Логарифмічна АЧХ (ЛАЧХ) дає можливість операцію множення ряду АЧХ замінити на більш просту операцію алгебраїчного сумування, що може бути виконано і графічно. Для побудови ЛАЧХ ординату вибирають в , тобто користуються логарифмічними координатами.

Рис.6. Амплітудно-фазочастотна характеристика.

10

3. Дослідження амплітудно-частотних характеристик (АЧХ)

1. У точці Х3 попередньої схеми встановити напругу 10 мВ з частотою 1 кГц.

2. Вхід МВ (<5 В) під’єднати відповідним чином до точок (1, Х7) (осцилограф відовідно від’єднати) і зняти покази МВ (U_вих); вирахувати значення ; змінюючи частоту ГНЧ добитися цих значень і заміряти по ИВ значення f_н, f_в, які занести в таблицю 2; при частотах, вказаних в таблиці 3, зняти покази МВ, які занести в цю ж таблицю.

3. Повторити п. 3.2. при:

а) С3=50 мкФ, С2=5 мкФ, С4=0.022 мкФ;

б) С3=50 мкФ, С2=0.1 мкФ, С;=0.022 мкФ;

в) С3=0, С2=5 мкФ, С4=0.022 мкФ.

Таблиця 1

Uке	Uбе	Uе	Ік	Іб	R1

Таблиця 2

f=1000 Гц, С3=...........
Uвх, В
Uвих,В
К

Таблиця 3

f, кГц	fН/4	fН/2	fН	2fН	4fН	f0	fВ/4	fB/2	fB	2fB
Uвих,В
К

43

5. Встановити нульове положення променя осцилографа і зняти осцилограми в точках Х5, Х6, Х3, тобто постійні рівні відповідних попередньо виміряних напруг.

6. Змінюючи вихідну напругу ГНЧ, добитись максимального неспотвореного вихідного сигналу підсилювача, амплітуда якого співрозмірна із результатом п. 1.3; перевести осцилограф в режим зовнішньої синхронізації; сигнал синхронізації взяти з точки 1 і зняти осцилограми в точках Х5, Х6, Х3, сумістивши їх з попередніми осцилограмами (п. 1.4.) (чутливість С1-73 у відповідних точках пп. 1.5, 1.6. однакова).

2. Дослідження амплітудних характеристик

1. Вхід МВ (<1 В) з’єднати відповідним чином з точками Х3, Х4, а точки 1, Х7 - з входом осцилографа, який переведено в режим внутрішньої синхронізації.

2. Зняти покази МВ, що відповідають максимальному вихідному неспотвореному сигналу; одержане значення (покази МВ) розбити на 10 проміжних значень (попередньо заокруглених) і для кожного з них, тобто U_вх, зняти покази осцилографа (U_вих), які занести в таблицю 1.

3. Повторити п.2.2. для випадку С3=50 мкФ.

42

9) Перехідна характеристика (ПХ) підсилювача - на відміну від попередніх - це часова характеристика. Вона є реакцією підсилювача на стрибкоподібну зміну (стрибок Хевісайда) вхідної величини (рис. 7). ПХ важлива для імпульсних підсилювачів. Зауважимо, що між ЧХ і ПХ в лінійному підсилювачі існує однозначний зв’язок, наприклад .

10) Амплітудна характеристика (АХ) підсилювача описує залежність амплітуди першої гармоніки вихідного сигналу від амплітуди гармонійного вхідного сигналу (рис.8). Iдеальна АХ має вигляд прямої, що проходить через початок координат під кутом Практично лінійна ділянка знизу обмежена напругами шумів ( ), а зверху - нелінійністю характеристик підсилювальних елементів ( ). Відношення

називається динамічним діапазоном підсилювача. Неперекручене підсилення можливе лише при умові, що

11

11) Режим підсилення малого сигналу, що гарантує лінійне перетворення сигналів, реалізується при таких рівнях вхідного сигналу, коли його подвоєння не викликає нелінійних перекручень, тобто амплітудна характеристика має лінійний характер.

12) Логарифмічний маштаб.

Побудова графіків і користування ними ускладнюється, якщо величини вздовж осей змінюються у великих межах. В цьому випадку користуються логарифмічним масштабом, що дає можливість не збільшувати розміри рисунків. Для цього вздовж координатної осі відкладають замість значень функції та аргументу їх десяткові логарифми, а отриманим точкам присвоюють назви відповідних величин.

Практично побудову координатної сітки логарифмічного масштабу здійснюють так: одну або обидві координати розбивають на рівні відрізки, кожний з яких відповідає збільшенню в 10 разів. Після цього кожний відрізок розбивають на дев’ять нерівних частин, відкладаючи від лівого кінця відрізка 0.3, 0.47, 0.6, 0.7, 0.78, 0.85, 0.9, 0.95 його довжини. Одержаним точкам ділення присвоюють назву десятої долі відрізка (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, тощо).

Якщо по одній координаті прийнято логарифмічний масштаб, а по іншій - звичайний (лінійний), то таку координатну сітку називають напівлогарифмічною (рис.9).

12

ПРОГРАМА РОБОТИ

1. Вибір робочої точки

1. Монтаж схеми: в гнізда R1 - R5 вставити відповідні резистори; в гнізда С1 вставити конденсатор ємністю 50 мкФ, а в гнізда С2, відповідно, 5 мкФ; в гнізда V1 вставити транзистор МП-40; гнізда “-Е_С” і Х8 з’єднати з виходом ГН2, зберігаючи відповідну полярність; аналогічно з’єднати вихід ГНЧ з гніздами Х1, Х2; “холодний” кінець вхідного шнура осцилографа з’єднати з гніздом Х7, а “гарячий” - з гніздом 1.

2. На виході ГН2 встановити напругу 9 В, контроль якої вести по ИВ, на виході ГНЧ встановити сигнал з частотою 1 кГц, контроль якої вести по ИВ.

3. Змінюючи положення повзунка резистора R1 і амплітуду сигналу на виході ГНЧ, добитись одночасного двостороннього обмеження вихідного сигналу підсилювача, тобто максимальної величини неспотвореного вихідного сигналу, контроль форми якого вести по С1-73, що працює з відкритим входом в режимі внутрішньої синхронізації; зафіксувати цю амплітуду вихідного сигналу.

4. При нульовому сигналі на виході ГНЧ заміряти режим роботи транзистора по постійній складовій, використовуючи АВМ2 в режимі вольтметра; заміряти напругу U_ке між точками Х5, Х6 (на межі < 10 В), напругу U_бе між точками Х3 та Х6, напругу U_е між точками Х6, Х7 (на межі < 2.5 В); використовуючи АВО в режимі омметра, заміряти значення резистора R1, який потім встановити назад у відповідні гнізда. Дані занести в таблицю 1. 41

Рис.1. Принципова електрична схема аперіодичного резистивного підсилювача з ємнісним зв’язком.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Виписати із довідника паспортні дані транзистора МП-40, а також навести їх ВАХ.

2. По експериментально вибраній робочій точці (РТ), відповідних резисторах і ємностях С2=0.1 мкФ, С4=0.022 мкФ за допомогою ЕОМ розрахувати АЧХ і ФЧХ.

40

Рис.7. Перехідна характеристика.

t_в – час встановлення фронту між рівнями 0,1 – 0,9.  - викид фронту.  - спад вершини.

Рис.8. Амплітудна характеристика. 13

Крім десяткових логарифмів відношення ( ), що називаються Белами ( ) або декадами, користуються ще іншими:

(Непер), або (радіан);

(октава).

Тобто, якщо збільшення в разів - декада, в е раз - радіан, в рази - октава. Причому: 1rad=1Nep=8/686дБ=0.4343 decade=1/442octave, якщо

Рис.9. Напівлогарифмічні координати.