Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебное пособие.pdf
31
Технические характеристики исследуемого усилителя мощности.
Усилитель мощности имеет входное сопротивление, равное 3,6 кОм.
В нагрузке, равной 5 Ом, формируется мощность в 5 Вт. Максимальная мощность нагрузки 0,6 Вт. Уровень входного сигнала максимальный – не более 1,3В.
Порядок выполнения работы
1. На лабораторном стенде сформировать схему измерений в со-
ответствии с рис. 1.2, к соответствующим клеммам подключить источник питания, генератор, цифровой вольтметр и осциллограф.
Рис. 1.2. Принципиальная схема усилителя мощности
На рисунке 1.2 введены следующие обозначения коммутационных компонентов (клемм): 1А, 2А, 3А, 4А – обозначение коммутирующих клемм на стенде:
1А – общая шина (земля, корпус);
2А – клемма для подключения на вход схемы усилителя мощности генератора;
32
3А – клемма для подачи напряжения питания исследуемому усилителю мощности от источника питания;
4А – клемма для подсоединения цифрового вольтметра или осциллографа на выход схемы усилителя мощности.
2. На рисунке 1.3 представлена структурная схема подключения
измерительной аппаратуры к лабораторному стенду для измерения
параметров и характеристик усилителя мощности.
3. Экспериментальным путем установить максимальный искажа-
ющий сигнал и чувствительность схемы усилителя мощности. Чувствительность усилителя – это подаваемое на вход усилителя напряжение в микровольтах или милливольтах низкочастотного сигнала,
позволяющее получить в нагрузке усилителя номинальную мощность.
4. Снять экспериментальные проходные характеристики двух-
тактного усилителя мощности U
вых
= f (Uвх) при различных значениях
напряжения источника стабилизированного питания: Uп = 15 В, Uп = 20 В
и Uп = 25 В и изменениях уровня входного сигнала: Uвх = 0…1 В,
Uвх = 0…2 В.
Данные экспериментов
а) Uп = 15 В, Uвх = 0…1 В, U
вх
= 0…2 В;
б) Uп = 20 В, Uвх = 0…1 В, Uвх = 0…2 В;
в) Uп = 25 В, Uвх = 0…1 В, U
вх
= 0…2 В
внести в табл. 1.1, 1.2.
1.1. Экспериментальные данные проходной характеристики
усилителя мощности при Uп = 15 В, Uп = 20 В и Uп = 25; Uвх = 0…1 В
U
вых
, В
Uвх, В
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Рис. 1.3. Структурная схема измерений параметров усилителя мощности:
ГГС – генератор гармонических сигналов; ОС – осциллограф;
ЦЭВ – цифровой электронный вольтметр
1.2. Экспериментальные данные проходной характеристики
усилителя мощности при Uп = 15 В, Uп = 20 В и Uп = 25; Uвх = 0…2 В
U
вых
, В
Uвх, В
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
ГГС
СТЕНД
ОС
ЦЭВ
33
По экспериментальным измерительным данным проходной характеристики усилителя мощности рассчитать коэффициент усиления
по напряжению Ku по формуле
вх
вых
U
U
K
u
,
где U
вых
, Uвх – выходное и входное напряжения усилителя мощности.
Определить среднее значение K
u ср
по формуле
K
u ср
= (U
вых1/Uвх1
+ U
вых2/Uвх2
+ ... + U
вых n /Uвх n
) / N,
где n – порядковый номер измеряемого значения проходной характеристики; N – число измерений.
На основе данных проходных характеристик построить графики
зависимостей U
вых
= f (Uвх) для заданных значений напряжения источ-
ника питания 15, 20 и 25 В в одних координатах.
5. Оценить нелинейность проходной характеристики.
Нелинейность усилителя мощности оценивается в результате
определения коэффициентов усиления по напряжению в начале и в
конце проходной характеристики соответственно для минимального и
максимального входных сигналов: Ku
max
и Ku
min.
Коэффициент нелинейности проходной характеристики определяется по зависимости Kн = (Ku
max
– Ku
min / Ku max
) 100%.
6. Экспериментальным путем снять амплитудно-частотную ха-
рактеристику (АЧХ) усилителя мощности. Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты усиливаемого сигнала.
Для этого на вход усилителя подключается генератор гармонического сигнала заданного уровня, а на выход – осциллограф для контроля формы выходного сигнала и цифровой вольтметр для определения уровней входного и выходного сигнала при снятии АЧХ.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя снимается при
напряжении питания Uп = 20 В и заданных постоянных уровнях входного напряжения: Uвх = 0,1 В, Uвх = 0,5 В, Uвх = 1 В.
Экспериментальные данные АЧХ усилителя мощности внести в
табл. 1.3 – 1.5.
1.3. Экспериментальные данные АЧХ усилителя мощности
при Uвх = 0,1 В
U
вых
, В
F, Гц
1.4. Экспериментальные данные АЧХ усилителя мощности
при U
вх
= 0,5 В
U
вых
, В
F, Гц
34
1.5. Экспериментальные данные АЧХ усилителя мощности
при Uвх = 1 В
U
вых
, В
F, Гц
По экспериментальным данным АЧХ определить коэффициент пе-
редачи по напряжению. Построить графики амплитудно-частотной характеристики Ku = f (F), по которым определить частотную полосу пропускания усилителя мощности. Полоса пропускания – диапазон рабочих
частот, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже
21
от максимального значения. Для этого на каждом графике АЧХ
определяется частота среза на уровне 0,7 от максимального значения Ku .
7. На вход усилителя мощности подключить генератор перемен-
ного сигнала и задать среднюю амплитуду подаваемого сигнала. На
выход усилителя мощности подсоединить осциллограф. На экране осциллографа получить четкое изображение выходного сигнала и затем
зарисовать осциллограмму выходного сигнала. Выполнить анализ экспериментально полученной осциллограммы для оценки наличия в выходном спектре сигнала 2-й и 3-й гармоник. Используя калибратор
осциллографа, определить время τ1 и τ2 достижения заданного уровня
А0 двумя полупериодами по осциллограмме (рис. 1.4), кроме того,
необходимо измерить амплитуды полупериодов А1 и А2.
Из теории по оценке искажений выходных сигналов усилителей
мощности следует, что для симметричной двухтактной схемы усилителя
в нагрузке формируется только первая гармоника, другие гармоники не
выделяются. На практике данная ситуация реализуется, когда τ1 ≠ τ2.
В этом случае наблюдается 2-я гармоника. Другие гармоники регистрируются в выходном сигнале при равенстве положительной и отрицательной амплитуд рассматриваемых гармоник сигнала А1 ≠ А2.
Анализ и оценку значений амплитуд исследуемых гармоник мож-
но выполнить вышеприведенным в данном учебном пособии методом
пяти ординат.
Рис. 1.4. Осциллограмма выходного сигнала
35
Содержание отчета
1. Название и цель выполнения лабораторной работы.
2. Рисунок лабораторного стенда.
3. Экспериментальные данные проходных характеристик двух-
тактного усилителя мощности U
вых
= f (Uвх) при различных значениях
напряжения источника стабилизированного питания: Uп = 15 В, Uп = 20 В
и Uп = 25 В и изменениях уровня входного сигнала: Uвх = 0…1 В,
Uвх = 0…2 В, представленные в виде таблиц.
4. Графики, построенные по результатам экспериментальных
данных проходных характеристик.
5. Экспериментальные данные амплитудно-частотных характери-
стик усилителя мощности при напряжении питания Uп = 20 В и заданных постоянных уровнях входного напряжения: Uвх = 0,1 В, Uвх = 0,5 В,
Uвх = 1 В, представленные в виде таблиц.
6. Графики амплитудно-частотных характеристик усилителя при за-
данных постоянных уровнях входного напряжения: Uвх = 0,1 В, Uвх = 0,5 В,
Uвх = 1 В, на которых определены частоты среза.
5. Осциллограммы выходного сигнала усилителя мощности при
различных значениях напряжения источника питания и уровней входного напряжения.
6. Выводы по результатам выполнения лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. В чем особенность работы усилителя мощности?
2. Назовите отличительные признаки усилителя напряжения и
усилителя мощности.
3. Какие особенности режима работы усилителя в классах усиле-
ния А и АВ?
4. В чем преимущество класса усиления А перед классом В?
5. Какие характеристики имеет двухтактный усилитель мощности?
6. Назовите преимущественный режим работы однотактного уси-
лителя мощности.
7. Какими параметрами характеризуется усилитель мощности на
биполярных транзисторах?
8. Как определить коэффициент полезного действия усилителя
мощности?
9. Какими характеристиками оценивается усилитель мощности?
10. Какие виды искажений известны в усилителях мощности на
биполярных транзисторах?
11. Каким методом выполняется оценка искажений работы усили-
теля мощности?
12. Режим работы усилителя мощности зависит ли от нелинейных
искажений?
36
Лабораторная работа 2
ИЗУЧЕНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель работы: изучить принцип действия операционного усилителя; исследовать принципиальные электрические схемы усилительных устройств с использованием операционного усилителя: инвертирующего усилителя, неинвертирующего, повторителя напряжения и
дифференциального усилителя.
Краткие теоретические сведения
Назначение операционного усилителя. Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока, который характеризуется коэффициентом усиления входного сигнала по напряжению –
103…106. Усилитель называется операционным, поскольку используется в вычислительной технике для выполнения различных математических операций: интегрирования, дифференцирования, суммирования
и др.
Операционный усилитель обозначается на электрических прин-
ципиальных схемах, как показано на рис. 2.1.
Операционный усилитель отличается наличием дифференциального входа и однотактного выхода: 1 – вход инвертирующий; 2 – вход
неинвертирующий; 3 – выход. Для электропитания операционного
усилителя применяется двухполярный источник питания: +Uп и –Uп.
Входные сигналы при использовании операционного усилителя формируют при подаче на оба входа операционного усилителя или подключением к одному из входов, одновременно заземляя второй вход
операционного усилителя.
Параметры, свойства и характеристики операционного усилителя.
К основным параметрам операционного усилителя относятся
следующие [8]:
1. Напряжение смещения (Uсм), которым называется величина входного
напряжения, обеспечивающая напряжение на выходе (U
вых
), равное нулю.
2. Коэффициент усиления по напря-
жению (Ku) определяется отношением
приращения напряжения на выходе операционного усилителя к приращению
напряжения на его входе:
вх
вых
U
U
K
u
.
Рис. 2.1. Обозначение
операционного усилителя
на принципиальных
электрических схемах
37
3. Входным током (Iвх) называют ток, протекающий по инверти-
рующему входу (I
вх1
) и неинвертирующему входу (I
вх2
) операционного
усилителя.
4. Разность входных токов определяется приращением тока меж-
ду входами операционного усилителя ΔI
вх
= | I
вх1
– I
вх2
|.
5. Входное сопротивление (Rвх) определяется рассчитанным со-
противлением между входами операционного усилителя.
6. Выходное сопротивление операционного усилителя (R
вых
) рас-
считывается по формуле
вых
вых
вых
I
U
R
.
Особенностью операционного усилителя является низкое выход-
ное сопротивление и высокое входное.
Поскольку операционный усилитель характеризуется двухполярным питанием, то его передаточная характеристика, приведенная на
рис. 2.2, представлена в двух квадрантах.
Устройство операционного усилителя следующее.
Операционные усилители в интегральном исполнении построены
на основе усилительных каскадов по напряжению на биполярных и
полевых транзисторах. На входе интегрального усилителя включен
дифференциальный усилительный каскад, который позволяет обеспечить устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов (изменению температуры окружающей среды, сопротивлению нагрузки,
нестабильности источника питания), достаточно высокое входное сопротивление каскада, высокий коэффициент усиления входного сигнала, уменьшить дрейф нуля на выходе усилителя.
Для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом усилителя мощности, согласования фаз
сигналов, усиления передаваемого сигнала по напряжению и току
между входным и выходным каскадами включен согласующий каскад.
На выходе интегрального усилителя сформирован усилитель
мощности на биполярных транзисторах, работающий по двухтактной
схеме в классе усиления АВ.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд для изучения операционного усилителя
включает следующие структурные компоненты: операционный усилитель, имеющий двухполярное электропитание ±15 В, встроенный источник питания ±15 В, устройства на основе операционного усилителя: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель и дифференциальный усилитель, которые структурно формируются подключением к операционному усилителю с помощью переключателей SB1 –
SB7. Для установки нуля операционного усилителя на лабораторном
стенде подключены соответствующем образом ко входам установки
38
нуля усилителя и источнику питания переменные резисторы R0 и R
бал
.
На лабораторном стенде приведена информация стенде о клеммах для
подачи входных напряжений и контроля входных и выходных сигналов: инвертирующего усилителя U
вх.ин
– 1А, 1Б; неинвертирующего
усилителя U
вх.неин
– 2А, 2Б; дифференциального усилителя U
вх1 ДУ
–
3А, 3Б; U
вх2 ДУ
– 4А, 4Б; клеммы для контроля выходного напряжения
U
вых
– 6А, 6Б и клеммы корпуса – 7А, 7Б. На стенде также предусмот-
рены переключатели «Сеть» и «Питание ОУ» – питание операционного усилителя. Схема лабораторного стенда по изучению устройств на
основе операционного усилителя приведена на рис. 2.3.
Порядок выполнения работы
При выполнении лабораторной работы исследуются следующие
устройства с использованием операционного усилителя: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель и дифференциальный
усилитель. Инвертирующий усилитель.
1. С помощью переключателей на лабораторном стенде (рис. 2.3)
подключить схему инвертирующего усилителя (рис. 2.4, а).
2. Выполнить расчет инвертирующего усилителя по следующим
исходным данным: температурный коэффициент ТКЕ = 50 мкВ/К;
напряжение смещения Uсм = 50 мВ; конденсатор С = 1 мкФ; сопротивление нагрузки Rн = 100 кОм; коэффициент усиления по напряжению
Ku = 10; собственный коэффициент усиления операционного усилителя
K0 = 5 105. Рассчитать следующие параметры: коэффициент обратной
связи β, температурный дрейф ΔU
вых
, Roс, R1, балластный резистор R
бал
,
реальный коэффициент усиления K
peал
.
а)
Рис. 2.2. Передаточные характеристики операционного усилителя
по неинвертирующему (а) и инвертирующему (б) входам (начало)
U
вых mах
–U
вых mах
–Uп
+Uп
Uсм
U
вых
Uвх
0
39
б)
Рис. 2.2. Продолжение
3. В процессе экспериментального исследования установить максимальное значение входного сигнала с использованием цифрового
вольтметра и определить коэффициент усиления усилительного каскада.
4. Экспериментально снять проходную характеристику инвертирующего усилителя. Для этого на вход подключить генератор переменного сигнала, а на выход – цифровой вольтметр. Данные эксперимента занести в табл. 2.1. Уровень входного сигнала изменять с шагом
0,1 В от 0 до 1,4 В.
2.1. Экспериментальные данные проходной характеристики
инвертирующего усилителя
U
вых
, В
Uвх, В
По экспериментальным данным построить график проходной ха-
рактеристики и определить коэффициент усиления по напряжению
инвертирующего усилителя.
5. Снять амплитудно-частотную характеристику для среднего
уровня сигнала на входе (0,7 В). Для снятия амплитудно-частотной
характеристики на вход инвертирующего усилителя подключить
генератор переменного сигнала, а на выход – цифровой вольтметр и
осциллограф. Полученные экспериментальные данные занести в
табл. 2.2.
U
вых mах
–U
вых mах
–Uп
+Uп
Uсм
U
вых
Uвх
0
40
Рис. 2.3. Схема лабораторного стенда для исследования усилительных
устройств на основе операционного усилителя
2.2. Экспериментальные данные амплитудно-частотной
характеристики инвертирующего усилителя
F, кГц
U
вых
, В