Лабораторные электричество

контролировать знак UВХ и UВЫХ . По результатам измерений определить область линейного усиления, UВХ и UВЫХ насыщения. При заданном R1 =10 КОм и известных k рассчитать значения R3 , R4 , R5 .

2.2. Подать на вход усилителя гармонический сигнал. С помощью осциллографа исследовать входной и выходной сигналы для трех значений k , при этом определить значения k в области линейного усиления и сравнить с заданными. Зарисовать характерные осциллограммы UВХ и UВЫХ .

Выключить питание лабораторного стенда.

3. Исследование неинвертирующего усилителя

Закрепить на лицевой панели стенда накладную панель с изображением неинвертирующего усилителя. Нажать кнопку "НУ" переключателя выбора вида исследуемой схемы в функциональной зоне 1. Включить питание лабораторного стенда.

Провести исследования аналогично п. 2.1 и п. 2.2. При R1 =10 КОм и известных k рассчитать значения R2 , R3 .

Выключить питание лабораторного стенда.

4. Исследование инвертирующего сумматора

Установить и закрепить на лицевой панели стенда накладную панель с изображением сумматора. Включить питание лабораторного стенда.

4.1. Нажатием одной из кнопок переключателя S1 в функциональной зоне 3 установить требуемый k ОУ. Изменяя величины постоянных входных напряжений по измеренным значениям напряжений UВХ 1 ,

UВХ 2 и UВЫХ , убедиться в суммировании сигналов. Исследование

провести для двух значений k = 1 и k = 10. Выключить питание лабораторного стенда.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Результаты выполнения домашнего задания.

2.Схемы исследуемых устройств на базе ОУ.

3.Результаты экспериментальных исследований.

4.Выводы по результатам проведенных исследований.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое ОУ и каково его место в современной схемотехнике?

2.Нарисуйте структурную схему ОУ общего назначения. Что представляет собой дифференциальный усилитель и почему он используется в ОУ?

3.Нарисуйте схемы на основе ОУ: компаратора, инвертирующего и неинвертирующего усилителя, сумматора. Получите для них коэффициенты передачи.

71

коэффициент передачи системы, охваченной ПОС, обращается в бесконечность. Это означает, что на выходе системы имеется напряжение при отсутствии напряжения UВХ , приложенного извне, т.е. система

самовозбуждается и превращается в автогенератор. Поэтому для автогенератора структурная схема (рис. 9.1а) приобретает вид, приведенный на рис. 9.1б.

Условие самовозбуждения в комплексной форме (9.2) справедливо, когда выполняются

условие баланса фаз:

Условие баланса фаз (9.3) означает, что в системе действует ПОС. Неравенство в амплитудном условии (9.4) указывает на то, что в системе с ПОС кроме компенсации потерь обеспечивается нарастание амплитуды возникших колебаний. Равенство в амплитудном условии (9.4) является условием баланса амплитуд. Оно соответствует установившемуся стационарному режиму, при котором цепью ПОС восполняются от источника питания только потери в автогенераторе.

При выполнении условия самовозбуждения любые малые колебания, вызванные, например, тепловыми шумами, флуктуацией носителей заряда в ЭП, попадая на вход ЭП через цепь ПОС, усиливаются. Многократный проход сигнала по петле ПОС, при условии

73

где S – крутизна транзистора в точке покоя, RЭКВ – эквивалентное

где M – коэффициент взаимной индукции.

Рис. 9.3. Линеаризованная эквивалентная схема автогенератора на биполярном транзисторе

Из формул (9.6) и (9.7) следует, что выполнение условий самовозбуждения возможно на резонансной частоте 0 , на которой

Для поворота фазы в цепи обратной связи на катушки LСВ и L включают встречно. Если ПОС обеспечена, то нарастание амплитуды автоколебаний возможно при выполнении условия (9.5), которое для рассматриваемого автогенератора имеет вид:

Чтобы убедиться в этом, по эквивалентной схеме рис. 9.3 запишем уравнение электрического состояния автогенератора

75

применяют один из двух равноценных подходов. Первый из них базируется на характеристиках средней крутизны ЭП, второй – на колебательных характеристиках цепи прямой передачи. Оба подхода тесно связаны между собой и основаны на предположении, что в силу частотной избирательности LC -контура в автогенераторе преимущественное значение имеет только гармоническая составляющая резонансной частоты 0 , а остальные

составляющие частот, кратных 0 , возникающие из-за нелинейности режима

работы ЭП, подавляются. Это позволяет пренебречь высшими гармониками в разложении коллекторного тока, заменить нелинейный элемент (ЭП) эквивалентной для основной гармоники линейной цепью и использовать метод комплексных амплитуд (МКА). Основным параметром линеаризации ЭП является средняя крутизна SСР , равная отношению амплитуды первой

гармоники в разложении коллекторного тока IК 1 к амплитуде напряжения на управляющем электроде (в нашем случае на базе) UБ , т.е. SСР IК UБ . Величина IК 1 , а следовательно, и SСР существенно зависят от амплитуды UБ .

Использование в (12) вместо S понятия средней крутизны SСР

линеаризирует задачу. Так как в стационарном режиме в системе устанавливаются гармонические колебания и применив к (9.12) МКА, получим уравнение

77

Среднюю крутизну и колебательную характеристику можно определить аналитически, используя полиномиальную аппроксимацию динамической проходной ВАХ транзистора, или задать в виде экспериментальной зависимости.

Графическое решение уравнения (9.20) проиллюстрировано рис. 9.4, где для двух режимов возбуждения колебаний – мягкого (рис. 9.4а) и жесткого (рис. 9.4б) – на графиках характеристик средней крутизны построены линии обратной связи. Точки пересечения – корни уравнения (9.20) – дают значения стационарной амплитуды.

Если обе части уравнения (9.20) умножить на амплитуду UБ , его левая

часть превращается в колебательную характеристику, а правая часть – в характеристику обратной связи. Для тех же режимов возбуждения колебаний решение этого уравнения строится аналогично и иллюстрируется графическими построениями на рис. 9.5а и рис. 9.5б.

Представленные колебательные характеристики поясняют особенности этих режимов. Мягкий режим имеет место, когда точка покоя располагается

78

в пределах линейной области ВАХ ЭП и характеризуется тем, что с изменением обратной связи амплитуда колебаний изменяется плавно.

Жесткий режим самовозбуждения имеет место, когда точка покоя располагается в области отсечки либо на ее краю и характеризуется скачкообразным возникновением колебаний большой амплитуды при плавном увеличении обратной связи и скачкообразным срывом колебаний при уменьшении обратной связи, причем срыв и возникновение автоколебаний происходит при разных значениях обратной связи. Этот режим отличается более высоким КПД по сравнению с мягким режимом изза выбора точки покоя в области отсечки ЭП, что уменьшает ток покоя коллектора и, следовательно, бесполезный нагрев ЭП.

Самовозбуждение автогенератора в жестком режиме неустойчиво и часто требует специального запускающего сигнала. Поэтому на практике, как правило, используют мягкий режим самовозбуждения с автоматическим переходом автогенератора в жесткий режим генерирования стационарных колебаний.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка собрана на отдельном шасси по схеме LC - автогенератора с индуктивной связью на биполярном транзисторе. В качестве связанных индуктивностей в автогенераторе применен вариометр, позволяющий плавно изменять величину ОС.

При выполнении лабораторной работы следует использовать генератор гармонических колебаний высокой частоты и осциллограф.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.На основе структурной схемы рис. 9.1 провести вывод формулы (9.1), определяющей коэффициент передачи KОС . Построить графики

существования в системе положительной ОС.

2.По литературе изучить и нарисовать варианты схем LC -автогенераторов на биполярном и полевом транзисторах.

3.Нарисовать вид входных, выходных и проходных ВАХ биполярного и полевого с управляющим p-n переходом транзисторов.

4.Изучить и осмыслить процессы, происходящие в автогенераторах.

5.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.Определить экспериментально значение коэффициента ОС при различных взаимных положениях катушек вариометра.

79