Лабораторная работа №10

Исследование обратной связи в усилительных каскадах

Цель работы: исследовать влияние обратной связи на основные параметры и характеристики усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах.

1. Теоретическая часть

Под обратной связью в усилителях понимается передача сигнала с его выхода на вход. Если передаваемый с выхода сигнал увеличивает входной сигнал, то такая связь называется положительной, а если уменьшает - отрицательной [1-5].

Существует обратная связь по току, напряжению и смешанная (комбинированная - по току и напряжению). При обратной связи по току напряжение обратной связи пропорционально току нагрузки усилителя . В обратной связи по напряжению напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению ( ). В смешанной обратной связи U_ос пропорционально и току и напряжению в нагрузке.

В зависимости от подключения обратной связи ко входу усилителя различают обратную связь со сложением напряжений и со сложением токов. В первом случае выход обратной связи подключается ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, а во втором случае - параллельно.

Для оценки фактора обратной связи используется коэффициент передачи звена обратной связи , который определяется по формуле:

= / .

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи К и коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью К_ос, связаны между собой следующим выражением:

К_ос=К/1± *К,

где знак + относится к отрицательной обратной связи (ООС);

знак- относится к положительной обратной связи (ПОС);

*к – называется фактором обратной связи.

ПОС увеличивает коэффициент усиления К_u, К_I, К_р, но уменьшает частотный диапазон усиливаемых сигналов, ведет к неустойчивости работы усилителя - его возбуждению и поэтому используется для создания на их базе электронных генераторов.

ООС оказывает противоположное действие и поэтому используются в усилителях для улучшения их параметров и характеристик.

2. Порядок выполнения работы

2.1 В данной работе используются макеты двух предыдущих лабораторных работ №8, №9, в которых кнопки S1 и S3 должны быть отжаты, что приводит к созданию последовательной ООС по переменному току и изменению значений исследуемых параметров и характеристик усилителей на биполярном и полевом транзисторах.

2.2 Исследование обратной связи производится отдельно для усилительного каскада на биполярном транзисторе в полном соответствии с разделом 2 лабораторной работы №8 и усилительного каскада на полевом транзисторе – с тем же разделом 2 лабораторной работы №9.

3. Содержание отчета

3.1 Схемы макетов усилительных каскадов: на биполярном и полевом транзисторах.

3.2 Табличные данные исследуемых параметров и характеристик усилителей.

3.3 Графики передаточных и амплитудно–частотных характеристик усилителей.

3.4 Теоретические расчеты значений исследуемых параметров их сравнение с экспериментальными данными.

4. Контрольные вопросы

4.1 Что понимается под обратной связью, ее разновидности и влияние на параметры усилительного каскада?

4.2 Как определяется обратная связь по току, напряжению и смешанная?

4.3 Как определяются коэффициент передачи и фактор обратной связи?

Лабораторная работа № 11

Исследование генераторов синусоидальных колебаний на операционных усилителях с использованием пакета «Electronics Workbench»

Цель работы: исследовать генераторы синусоидальных колебаний на операционных усилителях с нулевой фазосдвигающей цепочкой и инерционно-нелинейным элементом в цепи отрицательной обратной связи.

1. Теоретическая часть

Генераторы гармонических колебаний могут быть построены на основе операционных усилителей (ОУ) [6,8,9]. Для получения синусоидального переменного напряжения низких или средних частот, целесообразно применить один из вариантов RС-генераторов. Примеры RС - генераторов, выполненных на основе ОУ, показаны на рис. 11.1.

а) б)

Рисунок 11.1. - Схемы гармонических RС – генераторов:

а) генератор с нулевой фазосдвигающей цепочкой ;

б) генератор с инерционно-нелинейной цепью отрицательной обратной связи.

В схеме рис. 11.1 а) при R₃/R₄>R₁/R₂+C₂/C₁ возникают автоколебания, частота которых определяется формулой 1/(R₁R₂C₁C₂). Обычно используют в частотно-зависимой ветви моста Вина равные сопротивления и равные емкости R₁=R₂=R, С₁=С₂=С, а частоту автоколебаний находят по соотношению f₀=1/(2πRС), причем автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя, составленного из ОУ и резисторов R3 и R4, больше трех. Для выполнения баланса амплитуд необходимо выполнить условие R3/R4>2.

Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице коэффициента петлевого усиления на частоте f₀. Для надежного возбуждения генератора нужно, чтобы при включении коэффициент петлевого усиления был больше единицы. После возникновения автоколебаний их амплитуда растет, а затем стабилизируется на таком уровне, при котором за счет нелинейных свойств схемы в петле коэффициент усиления снижается до единицы. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность усилителя обуславливается амплитудной характеристикой ОУ; при этом форма выходного напряжения может заметно отличаться от синусоидальной.

Для получения гармонических колебаний с малыми нелинейными искажениями используют инерционно-нелинейную цепь отрицательной обратной связи в ОУ. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление R₃ или увеличивается сопротивление R₄ (рис. 1.11, а). Поэтому вместо R₃ можно включить миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо R₄ — металлический терморезистор (например, миниатюрную лампочку накаливания). Малая мощность терморезистора в данном случае нужна для того, чтобы обеспечить его разогрев относительно маломощным сигналом.

Поскольку при использовании моста Вина с R₁=R₂ и С₁ = С₂ на резисторе R₃ (рис. 11.1, a) падает в два раза большее напряжение, чем на резисторе R₄, то удобно использовать вместо R₃ полупроводниковый терморезистор. В этом случае значительная часть выходной мощности ОУ будет затрачиваться на разогрев терморезистора. Для того чтобы при использовании лампочки накаливания также обеспечить рассеяние на ней большей части выходной мощности ОУ, можно сделать цепь отрицательной обратной связи двухступенчатой. Именно так построена цепь ООС в схеме на рис. 1.11, б. Здесь лампочка ЕL, выполняющая роль резистора R₄, входит в первую ступень делителя ООС (R_З, R₄), а вторая ступень составлена из резисторов R₅ , R₆. Если принять R₅ = R₆>>R₄, то коэффициент передачи цепи ООС

будет обеспечиваться при R₄=2R_З.

Наряду с Г-образной частотно-зависимой RС-цепью, характерной для моста Вина, в RС-генераторах могут использоваться примерно такие же по основным характеристикам двойные Г-образные RС-цепи. Именно такая цепь и использована в ге нераторе по схеме рис. 1.11, б [4].