9.4.5 Измерение коэффициента усиления оу

Для измерения коэффициента усиления ОУ используется схема представленная на рисунке 9.10г, которая представляет собой инвертирующий усилитель с К_ос = 1.

Сопротивление R7 = 100 к и R8 = 1 к работают как делитель напряжения. Если измерить напряжение U_н, то входное дифференциальное напряжение усилителя можно определить следующим образом:

.

Измерив выходное напряжение U_вых, можно рассчитать коэффициент усиления ОУ

9.4.6 Определение напряжения смещения

На основании данных измерения пункта 4.4 и пункта 4.5 определить напряжение смещения по выражению

9.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать схемы исследуемых усилителей, таблицы экспериментальных данных, графики, расчеты, а также выводы.

9.6. Контрольные вопросы

9.6.1 Какой усилитель называется идеальным ?

9.6.2 Изобразить функциональную схему ОУ.

9.6.3 С какой целью на входе ОУ ставится дифференциальный каскад и как он работает ?

9.6.4 С какой целью на выходе ОУ ставится каскад с общим коллектором?

9.6.5 Назвать основные параметры ОУ.

9.6.6 Как влияет ОС на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление усилителя ?

9.6.7 Изобразить схему повторителя на ОУ.

9.6.8 Изобразить схему инвертирующего усилителя на ОУ. Как рассчитать его коэффициент усиления ?

9.6.9 Изобразить схему неинвертирующего усилителя на ОУ. Как рассчитать его коэффициент усиления ?

9.6.10 Усилитель с дифференциальным входом – схема, расчет коэффициента усиления.

9.6.11Установка нуля усилителя; зачем необходима эта операция ? Какие требования предъявляются к параметрам элементов ?

9.6.12Изобразить схему для измерения коэффициента усиления ОУ без обратной связи.

9.6.13Какой вид имеет АЧХ усилителя на основе ОУ ?

9.6.14Изобразить передаточную характеристику усилителя.

9.6.15Как определить напряжение смещения ?

10 Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ

ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является изучение принципа действия, условий и режимов самовозбуждения основных схем автогенераторов синусоидальных колебаний, а также ознакомиться с методикой получения высокой стабильности частоты генерируемых колебаний и их основными параметрами.

10.2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

10.2.1 Общие сведения

Электронным генератором называется устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности.

В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и импульсные генераторы (релаксационные): прямоугольных импульсов; линейно-изменяющегося напряжения, треугольной формы и т.д. По способу возбуждения колебаний различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и с внешним возбуждением. Генераторы с внешним возбуждением по существу являются резонансными усилителями, работающими в режиме больших амплитуд.

Для получения незатухающих колебаний в автогенераторах используются элементы, у которых на ВАХ имеется или создан с помощью положительной ОС участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Наиболее распространенной схемой автогенератора является схема на основе усилителя с ПОС. Функциональная схема такого генератора приведена на рисунке 10.1а. 

Для усилителя с обратной связью коэффициент передачи определяется соотношением

, (10.1)

где К - коэффициент усиления усилителя без ОС;

 - коэффициент передачи цепи ОС.

В общем случае К и  величины комплексные.

а б в

Рисунок 10.1 – Функциональная схема генератора, условия

и процесс нарастания колебаний

Если усилитель имеет характеристику вида второй кривой (рисунок 10.1б), то колебания в генераторе возникают при самых незначительных изменениях входного напряжения (шумы, помехи, флуктации питания и т.п.). Изменение входного напряжения усиливается и через цепь обратной связи подаются на вход. Если

К 1 (10.2)

и

_ус + _ос = 0; 2, (10.3)

то амплитуда колебаний на выходе генератора будет нарастать. Процесс нарастания колебаний показан на рисунке 10.1, и он будет продолжаться до тех пор, пока не начнут проявляться нелинейные свойства усилителя. При насыщении усилителя его коэффициент усиления начинает уменьшаться и при  К = 1 амплитуда колебаний стабилизируется. Условие (10.2) называется балансом амплитуд, а (10.3) - балансом фаз. Баланс фаз означает, что суммарный фазовый сдвиг усилителя и цепи обратной связи должен быть равен нулю или кратен 2, т.е. в системе действует ПОС. В таком генераторе колебания возникают сразу после подачи питания и режим самовозбуждения называется "мягким".

Если усилитель имеет характеристику типа кривой 3, то колебания могут возникнуть только в том случае, если входное напряжение больше порогового. Пороговое напряжение определяется точкой пересечения кривых 3 и 1 (точка А рисунок 10.1б). До точки А  К < 1, т.е. условие самовозбуждения не выполняется. Такой режим возбуждения генератора называется "жестким".

Если характеристика усилителя имеет вид кривой 4, а цепь ОС - прямой 1 (рисунок 10.1б), то в такой системе колебания возникнуть не могут, так как условия самовозбуждения не выполняются -  К < 1.

Форма выходного напряжения генератора определяется частотной характеристикой петлевого коэффициента усиления (К). Если условия самовозбуждения  выполняются только на одной частоте, то на выходе генератора будут гармонические колебания. В этом случае система должна иметь характеристику резонансного типа. Если система усилитель-цепь обратной связи широкополосная и условия самовозбуждения выполняются одновременно на многих частотах, то результирующее колебание будет определяться суммой гармоник. Чаще всего колебания на выходе имеют прямоугольную или близкую к ней форму и генератор в таком случае называют мультивибратором.

Таким образом, для реализации автогенератора гармонических колебаний необходимо, чтобы баланс фаз и баланс амплитуд выполнялись только на одной частоте. Частотно-зависимую характеристику системы можно выполнить, используя LC резонансный контур или RC цепи с квазирезонансными характеристиками. Соответственно и называют LC-генераторы или RC-генераторы. RC-генераторы, как правило, выполняют на более низкие частоты и они проще реализуются в интегральном исполнении.

Основными параметрами автогенераторов являются рабочая частота, выходная мощность, нестабильность частоты. Нестабильность частоты оценивают коэффициентом относительной нестабильности частоты, который определяется соотношениями:

для LC-генераторов К_н = f/f₀ = -(1/2)(L/L_к + C/C_к);

для RC-генераторов К_н = f/f₀ = -(C/C + R/R);

где f₀ - рабочая (резонансная) частота;

f - изменение частоты;

R, L, C - изменение величины сопротивления, индуктивности, емкости, определяющих резонансную частоту.

Изменение параметров элементов происходит под действием температуры, старения и т.п. факторов.

10.2.2 LC-генераторы

Резонансную характеристику системы реализуют, используя либо резонансный усилитель или цепь обратной связи с резонансной характеристикой. На рисунке 10.2а приведена схема LC-генератора с контуром в цепи обратной связи.

а б

Рисунок 10.2 – Схемы LC-генераторов

Частота генератора определяется величинами L₁, C₁ и рассчитывается из соотношения:

ПОС в генераторе реализуется за счет индуктивной связи между L₁ и L₂, включенной в цепи коллектора транзистора. Резистор R₁ определяет положение рабочей точки. Цепочка R₂C₃ создает ООС по постоянному току и осуществляет термостабилизацию рабочей точки транзистора. Выходное напряжение может быть взято с коллектора транзистора через разделительный конденсатор С4 или с помощью L₃ за счет индуктивной связи с L₂.

На рисунке 10.2б приведена схема генератора у которого колебательный контур L₂C₃ расположен в коллекторной цепи. Такой генератор обладает большим КПД и выходной мощностью, но через колебательный контур протекает постоянная составляющая коллекторного тока и контур находится под большим напряжением. Это вызывает увеличение габаритов L и С и ухудшение температурной стабильности. ПОС в генераторе осуществляется с помощью соответствующего подключения обмотки обратной связи L₁. Рабочая точка транзистора задается делителем R₁, R₂, напряжение с которого через L₁ подается на базу (для постоянного тока  L₁  0). Емкость С₁ необходима для подачи напряжения с L₁ на базу; для переменной составляющей 1/C₁  0 и верхняя точка L₁ соединена с общей шиной. В связи с этим, напряжение L₁ приложено между базой VT и общей шиной. Назначение остальных элементов такое же как и в предыдущей схеме.

Для исключения протекания постоянной составляющей коллекторного тока через контур и уменьшения напряжения на контуре используются схемы с параллельным питанием (рисунок 10.3).

а б

Рисунок 10.3 – Схемы генераторов с параллельным питанием

Колебательный контур подключается параллельно транзистору через разделительный конденсатор С₂ (рисунок 10.3а) или С₃ (рисунок 10.3б). Для устранения короткого замыкания переменной составляющей через источник питания питающее напряжение подается через дроссель L₂, имеющий большую индуктивность, так что L₂  . Кроме того, указанные схемы собраны по так называемым трехточечным схемам, в которых LC контур к усилителю подключается тремя точками. Это позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура. Различают индуктивную трехточку (рисунок 10.3а) и емкостную трехточку (рисунок 10.3б). Условие резонанса в первой схеме обеспечивается при

1/₀(L₁ + L₂) = ₀,

а во второй - при

1/₀L =  ₀C₁ ^. C₂/(C₁ + C₂).

Условие баланса фаз в трехточечном генераторе выполняется вследствие того, что напряжение обратной связи U_ос и напряжение на контуре U_к находятся в противофазе и, кроме того, напряжение на затворе и стоке транзистора также смещены на 180⁰. С помощью резистора R₂ создается ООС осуществляющая стабилизацию режима работы генератора. Так как в схемах используются полевые транзисторы с каналом N-типа т.е. дополнительное смещение затвора не производится и он соединяется с общей шиной через резистор R₁. Рабочая точка транзистора определяется величиной резистора R₂.

Для того чтобы форма выходного напряжения LC-генераторов была близка к синусоидальной, добротность колебательного контура должна быть достаточно высокой (Q > 100). Одним из важнейших параметров, определяющим качественные характеристики электронного устройства, работающего с гармоническим информационным сигналом, является стабильность его частоты. Для уменьшения нестабильности используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты. Параметрическая стабилизация сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту и осуществляется термостабилизацией рабочей точки транзистора, подбором для колебательного контура элементов с малым температурным коэффициентом, термостатирование генератора и т.д. Параметрическая стабилизация частоты позволяет получить нестабильность до 10^-5.

Кварцевая стабилизация заключается в применении в колебательном контуре кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор – это кристалл кварца или турмалина, закрепленный в кристаллодержателе. Кристалл кварца обладает прямым пьезоэффектом (появление электрических зарядов на гранях при механическом воздействии) и обратным пьезоэффектом (возникновение упругих механических колебаний при воздействии переменного электрического поля). Таким образом, кварцевый резонатор представляет собой электромеханическую систему с резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза кристалла частота кварца может изменяться от нескольких килогерц до сотен мегагерц.

Эквивалентная схема и частотная характеристика кварцевого резонатора приведена на рисунке 10.4.

а б

Рисунок 10.4 – Кварцевый резонатор

В резонаторе может быть резонанс напряжений с частотой 

и резонанс токов с частотой

где С_экв = С₀С_кв/(С₀ + С_кв);

С_кв, L_кв - емкость и индуктивность кристалла;

С₀ - емкость кристаллодержателя.

На частотах ниже _н и выше _т сопротивление резонатора носит емкостный характер, а на частотах выше _н и ниже _т - индуктивный. В связи с этим, возможно различное использование резонатора - в качестве емкости, индуктивности или контура. Добротность кварцевого резонатора достигает значения до 10⁶, температурная нестабильность мала и равна 10^-8.

Схемы генераторов с кварцевым резонатором приведены на рисунке 10.5.

а б

Рисунок 10.5 – Схемы генераторов с кварцевой стабилизацией частоты

В схеме рисунок 10.5а кварц эквивалентен индуктивности. Колебательный контур L1, C1 используется также как индуктивность (f_p > f_кв). Совместно с емкостью затвор-сток транзистора схема представляет индуктивную трехточку. В схеме рисунок 10.5б кварц также используется как индуктивность и совместно с емкостями база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора образует емкостную трехточку.

10.2.3 RC-генераторы гармонических колебаний

Для генерирования колебаний низкой частоты (до сотен кГц) применяются схемы RC-генераторов, так как использовать LC-генераторы в этом диапазоне не целесообразно из-за значительных габаритов емкости и индуктивности контура. Обеспечение условий самовозбуждения генератора на рабочей частоте осуществляется с помощью частотнозависимых цепей, выполненных на резисторах и конденсаторах. Простейшим вариантом является RC-генератор с фазосдвигающими цепочками (рисунок 10.6).

а б

Рисунок 10.6 – RC-генератор с фазосдвигающими цепочками

На транзисторе VT выполнен усилитель по схеме с общим эмиттером. Так как входной и выходной сигналы такого усилителя находятся в противофазе, то для обеспечения баланса фаз цепь обратной связи должна осуществлять сдвиг фазы выходного сигнала усилителя на 180⁰. Такой фазовый сдвиг осуществляется посредством трех последовательно соединенных RC-цепочек дифференцирующего типа. Каждая из цепочек обеспечивает фазовый сдвиг равный 60⁰. В подобных схемах могут использоваться и RC-цепочки интегрирующего типа. Коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи  = 1/29. следовательно, коэффициент усиления усилителя должен быть больше 29.

Так как передаточная характеристика цепи ОС не имеет максимума (см. рисунок 10.6б), то возбуждение генератора возможно и на соседних частотах, что вызывает искажение формы выходного сигнала. Для устранения этого явления в генераторе вводят ООС по переменному току. Это можно сделать отключив емкость С₁ (рисунок 10.6а).

На практике для реализации схем RC-генераторов гармонических колебаний чаще используют RC-цепочки с квазирезонансными характеристиками. На рисунке 10.7а приведена схема генератора с мостом Вина на ОУ.

а б

Рисунок 10.7 – RC-генератор с мостом Вина

Частота квазирезонанса равна

где R = R₂ = R₄ ; C = С₁ = C₂.

На ₀ мост имеет нулевой фазовый сдвиг, а коэффициент передачи  = 1/3 (рисунок 10.7а). Исходя из этого, усилитель должен иметь коэффициент передачи К > 3.

Отрицательная обратная связь (резисторы R₁, R₃) необходима для улучшения формы выходного сигнала и стабилизации режима работы.

На рисунке 10.8а приведена схема генератора с двойным Т-образным мостом.

Мост включен в цепи ООС ОУ в связи с тем, что на частоте квазирезонанса  имеет минимальное значение, а фазовый сдвиг моста равен 180⁰. Цепь положительной обратной связи создается с помощью резисторов R₁, R₂.

Включение моста в цепь ООС и ПОС (R₁, R₂) обеспечивают баланс амплитуд только на частоте ₀. Это объясняется тем, что мост не пропускает гармоническую составляющую с частотой ₀ (нет ООС). Для остальных частот ООС действует и К < 1.

а б

Рисунок 10.8 – RC-генератор с двойным Т-образным мостом