4.3.2. Режим сигнала

По результатам экспериментов п. 4.2.3:

• Построить осциллограммы напряжений, полученные в пп.4.2.3.1-4.2.3.4;

• Построить осциллограмму выходного дифференциального сигнала u_вых.д по формуле (4.2), в которой выходные напряжения – это напряжения на коллекторах транзисторов;

• Построить осциллограмму выходного дифференциального сигнала u_{вых.д.сф} , обусловленного синфазным входным сигналом (пп.4.2.3.5) по разности коллекторных напряжений;

• По осциллограммам определить коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов (K_Uд, K_Uсф), используя амплитудные значения, по формулам (4.9), (4.13). Сравнить их с теоретическими значениями. При определении последних в качестве r_э в (4.9) принять величину среднего арифметического значения дифференциальных сопротивлений эмиттерных переходов из п.4.3.1. Внутреннее сопротивление источника r_i тока в (4.13) принять равным из отчета по лабораторной работе №1;

• Записать уравнение ДУК (4.14) с учетом полученных значений;

• Определить коэффициент ослабления синфазного сигнала (4.15), (4.16);

• Найти входное и выходное сопротивления ДУК (4.11), (4.12). Параметр h_11Э можно найти по формуле (2.7).

Контрольные вопросы

1. Сравнить дифференциальный и недифференциальный каскады с точки зрения стабильности и помехозащищенности.

2. Какие существуют способы подачи входного сигнала и снятия выходного сигнала?

3. Каким образом обеспечивается режим покоя в ДУК?

4. Как определить по схеме инвертирующий и прямой входы?

5. Принцип действия ДУК.

6. Пояснить термины «синфазный сигнал» и «коэффициент ослабления синфазного сигнала».

7. Области применения ДУК.

8. Параметры ДУК (коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления)

9. Какой элемент в схеме ДУК можно использовать для регулировки токов смещения транзисторов?

10. Как можно использовать ДУК в качестве недифференциального каскада?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

«Исследование схемы операционного усилителя к140уд1»

Цель работы:

1. Изучение теоретических сведений [1, с.139-156; 2, с.273-287].

2. Ознакомление с принципиальной схемой и параметрами интегрального операционного усилителя (ОУ) К140УД1 и исследование основных его характеристик в режимах покоя и сигнала методом вычислительного эксперимента с помощью системы схемотехнического моделирования Electronics Workbench 5.0c. (EWB)[7].

5.1. Описание микросхемы

Микросхема К140УД1 представляет собой наиболее простой ОУ общего назначения первого поколения с внешней коррекцией. В зависимости от значений напряжения питания и других электрических параметров существуют группы А, Б и В рассматриваемой микросхемы. Типовая схема включения микросхемы показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Типовая схема включения ОУ К140УД1: 9-инвертирующий вход; 10-прямой вход; 7- положительный вывод питания; 1-отрицательный вывод питания; 4-общий вывод; 5-выход; 2,3,12-выводы частотной коррекции

Общий вывод (4) при использовании может оставаться свободным. Данный вывод соединяется с общей точкой схемы (заземляется) лишь при больших входных сигналах.

Корпус К140УД1 – металлический круглый (12 выводов), а корпус типа КР140УД1 — пластмассовый прямоугольный (14 выводов).

Рассматриваемый ОУ построен по трехкаскадной структурной схеме на транзисторах типа п-р-п (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема электрическая принципиальная ОУ К140УД1

ОУ состоит из входного дифференциального каскада на транзисторах VT1, VT2, усилителя на транзисторах VT4, VT5, обеспечивающего переход от дифференциального выхода входного каскада к несимметричному входу выходного эмиттерного повторителя (транзисторы VT7, VT9}.

Первый (входной ) усилительный каскад построен по схеме классического дифференциального усилителя с резистивной нагрузкой R1, R3 и симметричными входом и выходом. Он выполнен на транзисторах VT1 и VT2 с генератором стабильного тока I₀ на транзисторе VT3. Каскад работает в режиме микроамперных токов (I₀ = 250-500 мкА), устанавливаемом в целях повышения входного сопротивления. Это, однако, снижает коэффициент усиления, и поэтому его значение невелико (К_U = 10…20).

Второй (промежуточный) каскад усилителя также построен по дифференциальной схеме на транзисторах VT4 и VT5 с симметричным входом, но несимметричным выходом. Резистор в цепи коллектора VT4 отсутствует, так как выходное напряжение снимается только с коллектора VT5. Поскольку синфазная составляющая входного сигнала на выходе первого каскада практически отсутствует, то требование ее подавления к второму каскаду не предъявляется. Поэтому транзисторный генератор стабильного тока в эмиттерных цепях транзисторов VT4 и VT5 не используется. Вместо него применяется последовательная отрицательная обратная связь по току (резистор R5), стабилизирующая ток покоя эмиттеров и способствующая подавлению синфазной помехи Ток покоя эмиттеров увеличен до миллиамперных значений, что позволило поднять коэффициент усиления каскада до величины К._U = 40…60 и более.

Третий (выходной) каскад усилителя на транзисторе VT9 работает в режиме класса А и построен по схеме однотактного повторителя напряжения. Из-за низкого к. п. д. однотактные выходные каскады используются при небольших выходных мощностях. Выходные каскады интегральных усилителей работают, как правило, на низкоомную нагрузку. Для согласования выхода усилителя с сопротивлением нагрузки такие каскады должны иметь малое выходное сопротивление. Этому требованию удовлетворяет эмиттерный повторитель (ЭП), собранный на транзисторе VT9. При отсутствии входного сигнала выходное напряжение каскада должно равняться нулю, для чего применяется каскад сдвига уровня на транзисторах VT7 и VT8, работающий совместно с ЭП.

Рассмотрим работу схемы сдвига уровня. Генератор тока на VT8 обеспечивает заданный ток через резистор R9. За счет падения напряжения на этом резисторе обеспечивается понижение потенциала от величины порядка 8В на эмиттере VT7 до 0,6В на базе VT9. Тогда на выходе напряжение в режиме покоя будет близким к нулю, т.к. падение напряжения на переходе база-эмиттер VT9 также равно примерно 0.6В.

Рассмотрим работу ЭП. Как известно, в этой схеме коэффициент усиления близок к единице, что является существенным ее недостатком как усилителя. Однако в данной схеме применена положительная обратная связь по напряжению, увеличивающая коэффициент усиления ЭП до нескольких единиц. В режиме сигнала напряжение на базе VT9 изменяется и передается на делитель напряжения R11-R12. Уменьшение или увеличение напряжения на R12 под действием входного сигнала является сигналом положительной обратной связи в эмиттерном повторителе, увеличивающей его коэффициент усиления. Например, уменьшение напряжения на R12 обусловливает увеличение тока коллектора VT8 как источника тока, а следовательно, и снижение (при неизменном токе эмиттера VT7) токов базы и эмиттера выходного транзистора VT9. Указанная положительная обратная связь является особенностью ОУ, связанной со стремлением создать усиление напряжения с помощью ЭП.

Общее усиление ОУ К140УД1, определяемое как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов, не превышает 5000, что не всегда достаточно при его использовании для реализации активных аналоговых функциональных элементов.

Генераторы стабильного тока выполнены на транзисторах VT3 и VT8 для задания исходных режимов транзисторов дифференциального усилителя, транзистора VT7 соответственно и тока в резисторе R9. Они стабилизированы последовтельной отрицательной обратной связью по постоянному току (резисторы R2, R7 и (R10 + R12), R7) и дополнительно диодом VT6 (транзистор в диодном включении), обеспечивающим компенсацию температурных изменений напряжения эмиттер-база VT3 и VT8.

Частотная коррекция необходима для устойчивой работы усилителя. Коэффициент усиления данного ОУ достаточно высок с точки зрения возможности самовозбуждения, т.е. перехода усилителя в замкнутом состоянии в неустойчивый автоколебательный режим. Для обеспечения его устойчивости предусматриваются местные гибкие отрицательные связи: одна реализуется емкостью постоянно закрытого р-п перехода (диод VD1), а вторая осуществляется внешней RC-цепью, показанной на рис. 5.1. Номиналы элементов корректирующей цепи могут быть другими, однако их изменение должно быть достаточно обосновано.

Принцип действия ОУ заключается в следующем. Усиливаемый сигнал обычно поступает на один из входов (инвертирующий 9 или неинвертирующий-вход 10) усилителя, а второй вход соединяется с общим проводом. Пусть сигнал поступает на инвертирующий вход 9. При положительном напряжении ток базы транзистора VT2 увеличивается, a VT1 уменьшается (входной ток проходит через эмиттерные переходы транзисторов). Вследствие уменьшения тока коллектора VT1 напряжение на нем возрастает, обусловливая увеличение токов базы и коллектора транзистора VT5. При этом напряжение на входе транзистора VT7 эмиттерного повторителя снижается. Соответствующее уменьшение тока эмиттера выходного транзистора VT9 приводит к снижению напряжения на резисторах R11 и R12, т.е. к появлению отрицательного выходного напряжения (при отсутствии входного напряжения потенциал выходного вывода 5 равен нулю). При отрицательном напряжении на входе 9 ток эмиттера VT9 увеличивается и обусловливает положительное выходное напряжение.