7. Контрольные вопросы

1. Что такое операционный усилитель?

2. Какой тип усилительных каскадов используется в ОУ, что этим достигается?

3. Изобразите схему инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ.

4. Изобразите схему включения ОУ с ООС. Что даёт применение ООС?

5. Изобразите АЧХ ОУ с обозначением K_U , fпр , fгр .

6. Изобразите зависимость Uвых = f (Uвх) ОУ. Какая её часть используется для усиления без искажений? На каком участке и как здесь можно определить K_U?

7. Как влияет глубина ООС на АЧХ ОУ?

8. Используя формулу Блэка, на примере ОУ с ООС (рис. 1) докажите, что при больших K_U обеспечивается высокая стабильность усиления.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАМПОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

1. Цель работы

Изучение физических основ функционирования электровакуумных ламп и их применения. Исследование реального лампового усилителя путём его компьютерного моделирования.

1. Домашнее задание

Изучить раздел «Краткие теоретические сведения». К выполнению работы допускаются студенты, способные объяснить устройство и принцип действия электровакуумного триода. Подготовить бланк отчета со схемой включения триода и подготовленной к заполнению табл. 1.

3. Краткие теоретические сведения

Основной возможностью усиления электрических сигналов, несущих информацию, является использование таких электронных приборов, как биполярные транзисторы, МДП транзисторы различных модификаций, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, электронные лампы. Задача усиления в равной степени важна и для аналоговых, и для цифровых сигналов, поскольку те и другие претерпевают значительное ослабление на пути от точки передачи до точки приёма.

В большинстве указанных случаев отдельный усилительный каскад имеет вид

рис.1

В любом усилительном каскаде мощность сигнала в нагрузке больше мощности входного сигнала за счёт расходования энергии источника питания. Активный элемент при этом играет роль преобразователя энергии источника питания в энергию усиленного сигнала в нагрузке. Управление активным элементом осуществляется усиливаемым сигналом. Если необходимо получить большее усиление, применяется так называемое каскадирование, когда выход усилительного каскада подсоединен к входу последующего усилительного каскада и т.д.

Усиливаемый сигнал подаётся на управляющий электрод используемого прибора – на базу или эмиттер БТ (схемы ОЭ и ОБ), на затворы полевых транзисторов различных видов. В лампах таким электродом является управляющая сетка.

Типичное включение простейшей лампы, – триода, показано на рис. 2:

Рис. 2

В условном обозначении триода кружок или овал символизируют металлический, стеклянный или керамический корпус, из которого полностью выкачан воздух (создан вакуум). Внутри его расположены следующие три электрода:

Катод – электрод, испускающий со своей поверхности электроны. Его поверхность образована веществом, обладающим возможно меньшей работой выхода. Катод и окружающий его вакуум, как и p-n и m-n переходы является контактом двух сред – поверхности катода и вакуума. В таком контакте возможен только поток электронов из катода в вакуум, так называемый ток катода I_к. Интенсивность потока электронов тем больше, чем меньше работа выхода и чем больше температура катода, т.е. больше тепловая энергия электронов катода. Поэтому катод нагревается электрическим нагревателем до нескольких сотен градусов, что требует пропускания некоторого тока через нить накала катода. Явление испускания электронов нагретым катодом называется термоэлектронной эмиссией.

Анод – электрод, на который подаётся большое положительное анодное напряжение U_a. Ускоряющее поле анода заставляет электроны двигаться от катода к аноду, что создаёт анодный ток I_а. Анодный ток невозможен при отрицательном U_a. Поэтому электронным лампам, как p-n и m-n диодам свойственна односторонняя проводимость.

Управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом, через просветы в котором могут пролетать электроны. На управляющую сетку подаётся напряжение входного сигнала u_вх и постоянное напряжение смещения от источника Е_с. Суммарное напряжение на сетке u_c = u_вх + Е_с, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не оседают на сетке и не возникает сеточный ток. В противном случае, при положительном u_c, наблюдается попадание на сетку части электронов, движущихся к аноду, появление сеточного тока и уменьшение полезного выходного тока I_а .

Расположение сетки, её «густота», величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный I_а. В то же время поле сетки сильно влияет на величину I_а т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, при отсутствии или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Р_н = I_а² * R_н. С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода, а при достаточном большом по модулю напряжении u_C ток анода I_а исчезает (режим отсечки).

Существуют лампы с двумя сетками (тетрод), с тремя сетками (пентод), с большим числом сеток. Дополнительные сетки являются вспомогательными электродами, улучшающими характеристики ламп.

Электрические свойства лампы хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей I_а от U_a при различных напряжениях на управляющей сетке E_с. Для рассматриваемого в настоящей работе триода оно имеет вид рис.3.

Характеристики изображены здесь как на экране в программе МС10.

Использованным на них обозначениям соответствуют обычные обозначения:

I(VCC)(A): I_а, мА; V(PLATE)(V): U_a , В; SIN TR(DC): E_с, В.

Здесь же, в качестве примера, построена нагрузочная прямая при напряжении источника питания Е_ПИТ = 250 В и сопротивлении нагрузки R_н = 5,5 кОм. На нагрузочной прямой указана рабочая точка при Е_с = - 6 В.

Рис. 3

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного напряжения E_с на анодный ток намного сильнее влияния анодного напряжения U_a. Одинаковые изменения I_а вызываются изменением E_с на единицы Вольт, а изменением U_a – на сотни Вольт.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Крутизна анодно-сеточной характеристики: S = di_а / du_c , внутреннее сопротивление : R_i = du_а /di_а , коэффициент усиления по напряжению : µ = du_а / du_c . Для ламп большой мощности обычно оперируют параметром «проницаемость» D = 1/µ. Все три параметра определяются при неизменности остальных токов и напряжений. Из приведённых соотношений следует:

µ = SR_i (1)

Эти параметры можно определить приближённо по характеристикам. При малых приращениях Δi_а, Δu_а и Δu_c справедливы приближённые соотношения: di_а ≈ Δi_а, du_а ≈ Δu_а, du_c ≈ Δu_c . Поэтому для приближённого определения параметров достаточно построить в окрестностях рабочей точки небольшие приращения перечисленных переменных. Приращение Δu_c определяется по разности напряжений двух соседних анодных характеристик. Схема рассматриваемого в работе лампового усилителя изображена в виде, используемом в программе, рис. 4:

Здесь 6L6 – применённый в усилителе пентод, включённый с общим

(заземлённым) катодом. На вспомогательную сетку С2 (вторая от катода) подано постоянное напряжение от отдельного источника. Третья сетка С3, также вспомогательная, заземлена (0 В). На анод, через первичную обмотку L1 выходного трансформатора с сердечником К1, поступает анодное напряжение от основного источника питания. Ко вторичной обмотке L2

подключена нагрузка R2.

Трансформатор позволяет преобразовать сопротивление нагрузки в оптимальное для данной лампы сопротивление, а также предотвратить поступление в нагрузку постоянной составляющей анодного напряжения. Коэффициент усиления по напряжению можно определить, как отношение амплитуд выходного и входного напряжений. Амплитуды этих напряжений можно найти по временным диаграммам.

3. Методические указания по выполнению работы

1. Дважды щелкнуть на ярлыке tube6L6 на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема рис.4. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы, например, «tube6L6-БИН1301». Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2. Определить напряжения и токи основных электродов лампы. Для этого зайти в меню Analysis / Dinamic DC и, убедившись, что в появившемся диалоговом окне пиктограммы Node Voltages и Currents активны, нажать ENTER. На схеме появятся значения режимных (постоянных) напряжений в скругленных окошках возле узлов. Величины токов появятся в прямоугольных окошках возле ветвей. Необходимо занести эти значения в таблицу 1, пренебрегая ничтожными токами и напряжениями (менее 0.1 мА), появляющимися из-за особенностей математического аппарата программы.

Табл.1.

Определяемая величина	Значение	Определяемая величина	Значение
Ua		Uc1mах.
UС1		Uoutmax
UС2		KU
Iа		Δf

3. Войти в режим анализа временных диаграмм – Analysis/ Transient, Run. На экране появятся временные диаграммы при включённом источнике сигнала синусоидальной формы. Верхняя из них – диаграмма напряжения на управляющей сетке, средняя – на аноде, нижняя – на нагрузке. Подводя курсор к максимумам синусоид, определить амплитуды входного U_c1mах и выходного U_outmax напряжений. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению K_U = U_outmax / U_c1mах. Обратить внимание на знак коэффициента, который указывает на наличие или отсутствие инверсии. Занести результаты в таблицу 1. Выйти из режима временного анализа, нажав клавишу F3.

4. Перейти к анализу частотных характеристик, выбрав в меню Analysis/ АС и нажав Run в диалоговом окне. В каждой точке АЧХ маркер покажет через запятую в окне частоту и U_out в Вольтах. Определить полосу частот пропускания усилителя Δf . Считать границами полосы пропускания частоты, на которых усиление снижается в √2 раз по отношению к максимуму. Занести результат в таблицу 1. Выйти из режима частотного анализа, нажав клавишу F3.

5. Войти в режим изображения статических анодных (выходных) характеристик: Analysis/ DC. В диалоговом окне для параметра SIN TR в поле «Range» поменять значения на «0, -15, 3», а в поле «Y range» 700m заменить на 60m и нажать Run. На экране появится семейство анодных характеристик I_а = f(U_a ) при различных Е_с . Перенести характеристики в отчёт. Подводя курсор к каждой из характеристик, определить и указать на рисунке значения E_c.

Значение напряжения E_c в Вольтах обозначено, как «TR(DC) = ...».

6. Построить на анодных характеристиках нагрузочную прямую от точки с координатами (Епит, 0) до точки с координатами (0, Епит/Rн), исходя из данных табл. 2 для вашего варианта. Отметить на нагрузочной прямой положение рабочей точки (пересечения нагрузочной прямой и анодной характеристики с заданным согласно варианту E_c ).

7. Рассчитать КПД простейшего усилителя на основе электронной лампы:

КПД = Р_{полезн.}/Ррасх. = (U²вых/Rн)/( Епит*Iпит), (2)

где R_Н и Епит соответствуют заданному варианту. Iпит – среднее значение тока источника анодного питания, которое можно найти наведением курсора на его изображение в схеме, Uвых – действующее значение выходного напряжение, которое можно определить по временным диаграммам как Uвых = Uout max/ √2 .

Табл. 2

Вариант №	RН, Ом	Ec, В	Епит, В	Вариа нт №	RН, Ом	Ec, В	Епит, В
1	7кОм	-3	350	6	7кОм	-9	350
2	6кОм	-3	300	7	6кОм	-6	300
3	5кОм	-3	250	8	5кОм	-9	250
4	4кОм	-6	200	9	4кОм	-9	200
5	3кОм	-3	150	10	3кОм	-6	150