Операционный усилитель. Исследование транзисторного усилителя мощности (90

Описание лабораторного стенда

Любая из исследуемых схем может быть построена подключением к выводам операционного усилителя (ОУ) соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1 S5. Лабораторный стенд, помимо исследуемого устройства, включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.

Показания мультиметра соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, в том числе и при измерении несинусоидальных напряжений.

Полярность измеряемого выходного напряжения постоянного тока должна быть определена самостоятельно с помощью осциллографа. Полярность постоянного входного напряжения задается нажатием кнопки "УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ", обеспечивающим зажигание светодиода у значения частоты, имеющего знак "+" или "-".

Для повышения точности измерения предусмотрены три предела шкалы мультиметра. Первый – для диапазона измеряемых напряжений меньше 100 мВ (3 значащих цифры после запятой), второй – для напряжений до 1 В (2 значащих цифры после запятой) и третий – для напряжений до 10 В. Переключение шкал осуществляется с помощью кнопки "ЗНАЧЕНИЕ", расположенной под индикатором. Превышение допустимых пределов измерения сопровождается высвечиванием на ЖКД надписи "ПЕРЕГРУЗКА". При отсутствии перегрузки необходимо пользоваться шкалой большей точности. Переключение измеряемой величины осуществляется «перелистыванием» страниц ЖКД с помощью кнопок ◄, ►, расположенных под дисплеем.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать сигналы следующих видов: синусоидальный, постоянного тока и последовательности прямоугольных и треугольных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой пане-

21

ли лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

Управление переключателями S1 S5 также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0,5 сек. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.

Подключение двухлучевого осциллографа к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

Порядок выполнения работы

1. На постоянном токе исследуйте ход амплитудных характеристик U вых f (U вх ) , соответствующих трем вариантам построе-

ния масштабных усилителей:

рис. 4а S1 3; S2 2; S3 2; S4 1(вкл); S5 2;

рис. 4б S1 1; S2 1; S3 1; S4 1 (вкл); S5 2;

рис. 4в S1 1; S2 2; S3 2; S 4 1 (вкл); S5 2.

Снятие амплитудных характеристик производится в пределах2 B U вых 2 B . Информация о полярности выходного напряже-

ния может быть получена по показаниям осциллографа.

По результатам проведенных измерений построить графики амплитудных характеристик, вычислить значения K f и сравнить

их с ожидаемыми, определяемыми соотношениями на рис. 4. Вы-

числение K f производить на основе соотношения K f Uвых , где

Uвх

U вых и U вх – приращения выходного и входного напряжений,

определенные по любым двум точкам амплитудных характеристик.

22

2. Исследуйте влияние напряжения источника сигнала U вх на входной ток Iвх , протекающий по резистору R1. Для этого в схе-

ме рис. 4в при U вх 0 ( S1 1, S 2 1, S3 2, S 4 2 (выкл), S5 2) измерьте ряд значений падения напряжения на R1, отвечающих не-

скольким значениям U вх , и вычислите Iвх .

полнить на постоянном токе в приведенной последовательности:

а) вычислите значение коэффициента усиления K Uвых ,

Uвх

мерьте значения напряжений U вых , отвечающих двум ненулевым

напряжениям U вх и U вх , и определите U вых .

4. Исследуйте свойства инвертирующего масштабного усилителя. Для этого определите коэффициент передачи K f в схеме

рис. 4а ( S1 3, S 2 2, S3 2, S 4 1 (вкл), S5 3) и сопоставь-

те его с ожидаемым, определенным соотношением (см. рис. 4а). Измерение выполняется на частоте 40 Гц при уровне синусоидального входного сигнала 0.02 – 0.05 В. На этой частоте сопротивлением конденсатора C по сравнению с сопротивлением

резистора R можно пренебречь.

5. Измерьте значения напряжения U ош вых ( S1 3, S2 1, S3 1), соответствующие различным значениям коэффициента усиления K f ош схемы на постоянном токе (при S5–2, 3 и 6). Для всех ука-

занных схем вычислите напряжение Uошвх Uошвых / K f ош . Вычис-

23

ление осуществите с помощью приведенных на рис. 4б со-

отношений. При этом учтите, что на постоянном токе ветви цепи, содержащие конденсаторы, являются ветвями с бесконечно большим сопротивлением ( Z ).

6. Исследуйте на постоянном токе ход передаточной характеристики U вых f (U вх ) нелинейного устройства потенцирующего

типа (рис. 7а) ( S1 3, S 2 2, S 3 4, S 4 1, S 5 1). Измерения про-

водятся в диапазоне входных напряжений –0.2 В ... -0.5 В. Результаты измерений представьте в виде графика, постро-

енного в полулогарифмическом масштабе с использованием логарифмического масштаба по оси U вых и линейного – по оси U вх .

Здесь же представьте график рассчитанной по (4) зависимости. Значения входящих в (4) независимых параметров m и I 0 вычис-

лите по результатам двух измерений U вых и U вх (U вых1 ,U вх1 ; U вых 2 , U вх2 ) с помощью вытекающих из (4) соотношений:

m (U вх2 U вх1 ) / t ln(U вых 2 /U вых1 ) ; I 0 U вых1 / R exp(U вх1 / m t ) ,

где U вых1 и U вх1 , U вых 2 и U вх2 – координаты точек, лежащих на концах линейного участка графика амплитудной характеристики,

построенной в полулогарифмическом масштабе.

7. Исследуйте на постоянном токе ход передаточной характеристики U вых f (U вх ) нелинейного устройства логарифмирующе-

го типа (рис. 7б) ( S1 3,S2 2,S3 2,S4 1,S5 5). Измерения про-

водятся в диапазоне входных напряжений от минимально возможного до 0.05 В. Результаты измерений представьте в виде графика, построенного в полулогарифмическом масштабе с использованием логарифмического масштаба по оси U вх и линейно-

го – по оси U вых . Здесь же представьте график зависимости, рассчитанной по (5) с использованием найденных в п. 6 значений m

иI 0 .

8.При синусоидальном входном сигнале Uвх 0, 2B иссле-

Для этого при трех вариантах схемного построения ( S5 2,3 и 6)

24

снимите зависимость U вых U вых ( f ) . Результаты измерения представьте в виде логарифмических амплитудно-частотных характе-

как путем измерения амплитудно-частотной характеристики (зависимости K f от частоты), так и путем наблюдения осцилло-

грамм выходного напряжения при различных формах входного сигнала. Перед измерением АЧХ установите U вых 2 B для диф-

ференцирующей схемы на частоте 18 кГц, а для интегратора – на 10 Гц. Измерьте также значения входных сигналов на указанных частотах. Результаты измерений представьте в виде ЛАЧХ коэффициента усиления, построенных с использованием координатных осей графиков п. 8.

10. Исследуйте свойства мультивибратора рис. 13 (S3 5, S5 1 и 2), измерив значения длительности импульсов tИ,

отвечающих значению параметра схемы рис. 13 ( S1 5 ). Изме-

рение tИ осуществите с помощью осциллографа. Измеренные значения tИ сопоставьте со значениями, получающимися на основе соотношения (10).

Контрольные вопросы

1.Перечислите свойства идеального ОУ.

2.Назовите функциональное назначение выводов ОУ.

3.Перечислите основные статические параметры, которыми характеризуется ОУ.

4.Какие параметры ОУ определяются из его передаточной характеристики?

5.Каким образом входные токи приводят к возникновению статических ошибок и можно ли от них избавиться?

6.Назовите основные особенности АЧХ и ФЧХ ОУ.

7.Как соотносятся между собой полоса пропускания усилителя и полоса единичного усиления ОУ?

25

8.В какой зависимости находятся максимальное значение амплитуды выходного сигнала и его частота?

9.Какой тип обратной связи образуется при подключении сопротивления между выходом и инвертирующим входом?

10.Какие два допущения используются при анализе схем на основе ОУ?

11.Перечислите достоинства и недостатки инвертирующего усилителя.

12.С какой целью в схему включается сопротивление Rбал и каким образом выбирается его величина?

13.Как определяется температурный дрейф усилителя?

14.Чем определяется минимальный уровень входных сигна-

лов?

15.Каким образом определяется полезный диапазон частот, в пределах которого относительная погрешность расчета коэффициента усиления не превосходит заданную величину?

16.Перечислите, в каких случаях предпочтительно применение инвертирующего усилителя.

17.Назовите достоинства и недостатки неинвертирующего усилителя.

18.Чем определяется входное сопротивление у неинвертирующего усилителя?

19.Как определяется ошибка, создаваемая синфазным сигналом на входе?

20.Где предпочтительно применять неинвертирующий уси-

литель?

21.Каково назначение дифференциального усилителя?

22.Какой усилитель называют измерительным?

23.Какие типы обратных связей используются в схеме автоколебательного мультивибратора?

24.Чем определяется период колебаний мультивибратора?

25.Каким образом реализуется несимметричный автоколебательный мультивибратор?

26

Работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО

УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

В лабораторных работах по изучению усилительных каскадов мы рассматривали линейный режим, когда усилитель не меняет спектра входного сигнала. Целью данной работы является исследование транзисторного усилителя мощности, когда транзистор работает в режиме с отсечкой на резонансную нагрузку.

Краткая теория

Усилитель мощности вместе с источником входного сигнала (генератором гармонических частот) называют генератором с внешним возбуждением (ГВВ). Он используется для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. В том случае, когда частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, генератор с внешним возбуждением называется усилителем мощности. Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного, речь идет об умножителе частоты.

Основным требованием, предъявляемым к генератору с внешним возбуждением, является получение высокого коэффициента полезного действия (КПД), что обеспечивается нелинейным режимом работы транзистора. С другой стороны, нелинейный режим приводит к появлению в коллекторном токе высших гармоник. Отсюда задачи согласующей цепи:

-обеспечить трансформацию в общем случае комплексного сопротивления нагрузки в чисто резистивное сопротивление в заданном диапазоне частот;

- обеспечить необходимое подавление высших гармоник в нагрузке, т. е. осуществить фильтрацию.

Одной из простейших согласующих цепей является параллельный колебательный контур с достаточно высокой добротностью, включенный в коллекторную цепь усилителя мощности (УМ). Контур обеспечивает не только согласование генератора с

27

нагрузкой вблизи резонансной частоты, но и малое сопротивление для высш их гармоник коллекторного тока, что обусловливает гармоническую форм у напряжения на контуре (рис. 1.1).

Эквивалентное сопротивление настроенного в резонанс контура носит резистивный характер и может быть записано следующ им образом:

коллектора U к(t) коллекторный ток имеет ф орму периодической последовательности импуль ов, которая может быть представлена рядом Фу ье:

Iк(t) = Iк0 + Iк1cosωt + Iк2cos2ωt + … + Iкncosnω t + …

П олезная мощность, выделяемая на контуре 1-й гармоникой коллекторного тока: P0 = 0,5 к1Uк.

М ощнос ь, потребляемая от ис очника коллекторного питания, пределяется как P0 = E кIк0.

28

ξжения= Uк./ Eк – коэффициент использования коллекторного напря-

Выражение (1.2) показывает, что для повышения КПД целесообразно работать при высоких значениях ξ, а угол отсечки коллекторного тока θ должен быть достаточно мал для получения высокого значения γ(θ). Максимальное значение КПД достигается при углах отсечки, близких к нулю, однако при этом резко снижается выходная мощность за счет стремления α1(θ) к нулю. Поэтому практически в схемах УМ угол отсечки выбирают в интервале 75º < θ < 100º. В ряде случаев, например при усилении амплитудномодулированных колебаний или при умножении частоты, при выборе θ необходимо учитывать и дополнительные требования.

В зависимости от степени влияния напряжения выходной цепи на значение и форму импульсов тока УЭ различают три режима работы: недонапряженный, граничный и перенапряженный. Переход от одного режима к другому может быть осуществлен изменением напряжения на электродах УЭ. При постоянных питающих напряжениях и напряжении возбуждения коллекторный ток зависит лишь от переменного напряжения в выходной цепи uк (t), а следовательно, и от Rэк, изменять которое можно, например, изменением коэффициента включения контура (1.1).

Зависимости Iк0 , Iк1 , Uк , P1 , P0, Pк и η = f (Rэк) носят название нагрузочных характеристик. Здесь Pк = P0 – P1 – мощность,

рассеиваемая на коллекторе транзистора.

При низких значениях Rэк (Rэк < Rэк. гр – см. рис. 1.2, кривые 1 и 2) амплитуда переменного напряжения Uк = Iк1 Rэк мала; оста-

точное напряжение uк min велико (uк min = Eк – Uк > uк min гр ); импульс коллекторного тока имеет форму усеченной косинусоиды,

а его амплитуда уменьшается с ростом Rэк незначительно вследствие малого значения проницаемости УЭ. В недонапряженном режиме УЭ может быть представлен приближенно в виде генератора тока Iк1 Iк1 гр, и, следовательно, по мере роста Rэк от 0 до Rэк.гр напряжение Uк , ξ и полезная мощность будут возрастать.

29