Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Сборник задач и примеры их решения. Учебно-методическое пособие
.pdf
где величина сопротивления затвора
R
R
UU U UU
вых 1212
222 2
RR R R
12 1 1 1
RR R
1()
;
RR
R
з
12
RR
12
30,5
30,5
0,43
мОм.
4.4. Задачи для самостоятельной проработки
Задача 4.1
Для полевого транзистора КП 301Б, имеющего статические характеристики, представленные на рис. 4.8, рассчитать его параметры в рабочей точке, соответствующей U
= 16 В.
зи
Рис. 4.8. Статические характеристики полевого транзистора КП 301Б
Задача 4.2
Используя справочные параметры полевого транзистора КП 301Б,
построить его рабочую область.
Задача 4.3
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и n-каналом
имеет напряжение отсечки, равное минус 1,5 В. В режиме насыщения
при напряжении затвора минус 1,0 В ток стока равен 1 мА. Определить
ток стока и крутизну транзистора в режиме насыщения при нулевом
напряжении затвора.
Задача 4.4
Для схемы (рис. 4.3, а), выполненной на транзисторе КП 103М по-
строить нагрузочную прямую при Е = 10 В; R = 1 кОм.
81
Задача 4.5
По семейству выходных (стоковых) характеристик полевого тран-
зистора КП 103К построить его стоко-затворную характеристику
I
= f(Uзи) при напряжени Uси = 10 В.
c
Задача 4.6
Сравнить выходные и стоко-затворные характеристики полевых
транзисторов трех основных типов (с управляющим p-n-переходом,
МДП со встроенным каналом, МДП с индуцированным каналом).
Задача 4.7
В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и n-каналом,
работающем в режиме насыщения, ток стока при нулевом напряжении
затвора равен 3 мА, напряжение отсечки равно минус 0,8 В. Определить
ток и крутизну транзистора в режиме насыщения при напряжении затвора минус 0,3 В.
Задача 4.8
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, работающий в
режиме насыщения, имеет напряжение отсечки минус 1,5 В, ток стока
при напряжении затвора минус 0,5 В составляет 4 мА. Определить
напряжение насыщения стока при напряжении затвора минус 0,2 и минус 0,4 В.
Задача 4.9
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и n-каналом
имеет напряжение отсечки минус 0,8 В, ток стока при нулевом напряжении затвора равен 2 мА. В цепь стока включен резистор номиналом
1 кОм. Определить минимальное напряжение источника питания в цепи
стока, при котором транзистор продолжает работать в режиме насыщения, если напряжение затвора
при этом составляет минус 0,3 В.
Задача 4.10
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и p-каналом
имеет напряжение отсечки 0,9 В, ток стока при нулевом напряжении затвора равен 2,1 мА. В цепь стока включен резистор номиналом 2 кОм,
в цепь истока включен резистор номиналом 400 Ом, затвор заземлен.
Определить, обеспечивается ли режим насыщения транзистора при
напряжении источника питания минус 4,5 В. Найти
соответствующие
этому режиму напряжение затвор-исток и ток стока.
82
Задача 4.11
Для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и n-каналом
переход к режиму насыщения при нулевом напряжении затвора наступает
при напряжении стока 1,3 В. Найти, при каком напряжении стока наступает режим насыщения, если напряжение затвора равно минус 0,5 В. Рассчитать в этом режиме ток стока и крутизну.
Задача 4.12
В полевом МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа в
режиме насыщения величина крутизны S составила 1,8 мА/В при
напряжении на затворе 1,5 В. Пороговое напряжение транзистора
U
= 0,65 В. Определить величину тока стока и крутизну транзистора
пор
при напряжении на затворе 1,8 В.
Задача 4.13
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом работает в режиме насыщения. Напряжение отсечки составляет минус 1,5 В. Ток стока, при напряжении на затворе минус 0,5 В, составил 4 мА. Определить
напряжение насыщения транзистора при U
= –0,2 В; Uзи = –0,4 В.
зи
Задача 4.14
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
имеет напряжение отсечки равное минус 1,5 В. В режиме насыщения, при
напряжении на затворе минус 1 В, ток стока составил 1 мА. Определить
крутизну и ток стока транзистора при напряжении на затворе 0 В.
Задача 4.15
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом
n-типа работает в режиме насыщения. Ток стока транзистора при нуле-
вом напряжении на затворе составил 3 мА. Напряжение отсечки транзистора 0,8 В. Определить ток стока и крутизну транзистора при напряжении на затворе транзистора минус 0,3 В.
Задача 4.16
Для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа режим насыщения наступает при нулевом напряжение на затворе и равен 1,3 В. При этом ток стока составляет 1 мА. Определить
ток стока, напряжение насыщения и крутизну транзистора при напряжении на затворе транзистора минус 0,5 В.
83
Задача 4.17
Рассчитать коэффициент передачи и входное сопротивление усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с индуцирован-
ным каналом n-типа (рис. 4.9), если коэффициент усиления
= 10; кру-
тизна транзистора S = 3 мА/В; сопротивление нагрузки в цепи стока
R
= 1,5 кОм; сопротивления делителя напряжения на затворе R1 = 1 мОм,
c
R
= 0,1 мОм.
2
Рис. 4.9. Усилительный каскад на полевом МОП-транзисторе
Задача 4.18
Для усилительного каскада, представленного на рис. 4.9, определить напряжение на затворе в режиме покоя и ток делителя (R
напряжение источника питания Е = 10 В, R
= 2 мОм; R2 = 300 кОм.
1
, R2), если
1
Задача 4.19
Рассчитать коэффициент передачи истокового повторителя (рис. 4.10),
если крутизна S = 10мА/В; сопротивление нагрузки R
циент усиления
= 5.
= 100 Ом; коэффи-
н
Рис. 4.10. Истоковый повторитель, выполненный на полевом транзисторе с
управляющим p-n-переходом
84
5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
5.1. Методические указания
Перед началом решения задач по разделу «Операционные усилители» необходимо самостоятельно изучить следующие вопросы:
параметры операционных усилителей;
основные схемы включения операционных усилителей и расчет
показателей их качества.
5.2. Основные понятия, формулы и уравнения
Операционный усилитель (ОУ) – универсальный многофункциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного
назначения. Он находит широкое применение как в аналоговой, так и в
цифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что
прежде всего такие усилители получили применение для выполнения
операций суммирования сигналов, их дифференцирования
вания, инвертирования и т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.
Схемотехнически операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (–) и не инвертирующий (+), а также один выход и цепи
, интегриро-
питания U
относительно общей шины.
п
Условное графическое обозначение операционного усилителя
представлено на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Графическое обозначение операционного усилителя
При практических расчетах схем на ОУ и приближенного анализа
их работы, как правило, рекомендуется пользоваться свойствами идеального операционного усилителя. Операционный усилитель является
идеальным, если:
дифференциальный коэффициент усиления ОУ по напряжению
стремится к бесконечно большой величине;
85
напряжение смещения нуля усилителя, равное нулю, т. е. при ра-
R
венстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю;
входные токи ОУ равны нулю;
выходное сопротивление усилителя равно нулю;
коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.
Различают три основных схемы включения операционного усили-
теля: дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее.
Рис. 5.2. Дифференциальное включение операционного усилителя
При дифференциальном включении (рис. 5.2) соотношение между
входным напряжением U
входом и общей шиной U
теля на резисторах R
и R4
3
и напряжением между неинвертирующим
1
определяется коэффициентом деления дели-
p
UR
14
U
p
34
.
R
Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей
шиной U
= Up, ток I1, протекающий через сопротивление R1 определит-
n
ся соотношением
UU
2
R
p
1
= I2), выходное напряжение
1
I
1
С учетом свойств идеального ОУ (I
.
усилителя можно рассчитать по второму закону Кирхгофа как
UUIR
вых 12p
,
или
UUU
âû õ 1 2
При выполнении соотношения R
()
RRR R
124 2
()
RR R R
U
13 4 1
= R2R3,
1R4
UUR
86
R
1
122
.
. (5.1)
В этом случае коэффициент усиления ОУ по напряжению можно найти как
UU R
k
U
вых вых 2
UUUR
диф 12 1
. (5.2)
При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Инвертирующее включение операционного усилителя
Тогда с учетом полученного ранее выражения (5.2) коэффициент
усиления усилителя по напряжению можно рассчитать как
UR
k
U
вых 2
. (5.3)
UR
21
Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем
включении находится в противофазе по отношению ко входному (о чем
указывает знак минус). Достоинством такого включения операционного
усилителя является то, что коэффициент усиления входного сигнала по
напряжению в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов
R
и R2 может быть как больше, так и меньше единицы.
1
Иногда для обеспечения равенства напряжений на обоих входах
инвертирующего усилителя при отсутствие входного сигнала, в схему
вводится дополнительное сопротивление R
, обеспечивающее миними-
3
зацию смещения (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Инвертирующий усилитель с сопротивлением смещения R
87
3
Величину R3 можно рассчитать как
R
R
R
R
R
3
12
12
.
R
Входное сопротивление инвертирующего усилителя мало и определяется как R
= R1.
вх
При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на
резисторах R
и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 5.4).
1
Рис. 5.4. Неинвертирующее включение операционного усилителя
При таком включении ОУ коэффициент усиления схемы можно
найти, положив в выражении (5.1) U
= 0, R3 = 0, R4.
2
Тогда
UR
k
U
вых 2
. (5.4)
UR
1
11
Из полученного выражения следует два вывода. Во-первых, выходной сигнал усилителя синфазен входному сигналу, а во-вторых, коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы.
Кроме того, данная схема включения операционного усилителя обладает более высоким входным сопротивлением, чем предыдущая, которое
можно рассчитать как
k
где
RR
вх вх
вх
и
– входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ при
k
U
U
,
k
U
разомкнутой цепи обратной связи, указанные в паспортных данных прибора.
Если выход ОУ накоротко соединить с инвертирующим входом, то
получают так называемую схему неинвертирующего повторителя. Коэффициент передачи при этом равен единице. Такие повторители изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих
88
по нескольку усилителей в одном корпусе. Следует отметить, что вход-
R
ное сопротивление этой схемы в идеале стремится к бесконечности.
Выходное сопротивление рассмотренных схем включения операци-
онного усилителя можно определить по приближенной формуле
R
R
вых
1
вых
k
U
R
12
, (5.6)
1
R
где R
– выходное сопротивление ОУ при разомкнутой цепи обратной
вых
связи, указанно в паспортных данных прибора.
Желательно, чтобы выходное сопротивление схемы было как можно ниже сопротивления нагрузки и составляло менее 10 % от его значения. При таком их соотношении обеспечивается максимальная передача
выходного напряжения ОУ без потерь.
5.3. Примеры решения задач
Задача 1
Определить напряжение на выходе операционного усилителя, схема которого представлена на рис. 5.5, если R
R
= 2,5 Ом; R4 = 100 Ом; R5 = 10 Ом; R6 = 20 Ом; R7 = 20 Ом.
3
= 5 Ом; R2 = 100 Ом;
1
Рис. 5.5. Схема включения операционного усилителя к задаче 1
Решение
Схема на рис. 5.5 представляет собой сумматор входных напряже-
ний U
, каждое из которых подается на отдельный вход. Следова-
1–U5
тельно, напряжение на выходе схемы будет равно сумме этих входных
напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления.
89
Входное напряжение U1 подается на неинвертирующий вход ОУ че-
R
рез делитель напряжения R
жение согласно (5.4) составит
, R4. Весовой вклад его в выходное напря-
3
RRR
UkU U
вых111 1
U
100 100
140,
2,5 2,5 100
UU
424
34 экв 34
11
где эквивалентное сопротивление R
включенные сопротивления R
1111 1111
R
экв
RRRR
7651
Входные напряжения U
, R5, R6, R7
1
2–U5
1
RR RR
представляет собой параллельно
экв
1
20 20 10 5
1
2,5
Ом.
подаются на инвертирующие входа
ОУ. Согласно (5.3), весовой вклад их в выходное напряжение сумматора
соответственно составит
U kUkUkUkU
вых 25 22 33 44 35
RRRR
2222
RRRR
1567
UUUU
UUUU
2345
100 100 100 100
UUUU
5102020
2345
.
Суммарное выходное напряжение определится как
вых вых1 вых25 1 2 3 4 5
40 20 20 10 5 .UUU U U U U U
Ответ. Выходное напряжение на выходе ОУ
вых 12345
40 20 20 10 5 .UUUUUU
Задача 2
Рассчитать схему инвертирующего усилителя (рис. 5.6), выполненного на операционном усилителе, имеющим следующие параметры:
номинальное напряжение питания U
P
= 300 мВт; входной номинальный ток Iвх = 200 нА; коэффициент
max
усиления ОУ при разомкнутой цепи ОС k'
напряжения двойной амплитуды 2U
ние R'
= 1 мОм; выходное сопротивление R'
вх
на обеспечить коэффициент усиления по напряжению k
входном сигнале с действующим значением напряжения U
Сопротивление нагрузки на выходе усилителя составляет R
= 15 В; выходная мощность
п
= 1000; размах выходного
U
вых, max
= 23 В; входное сопротивле-
= 300 Ом. Схема долж-
вых
= 100 при
U
= 80 мВ.
вх
= 500 Ом.
н
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]