Контрольные вопросы

1. Как осуществить работу транзистора в ключевом режиме?

2. Как уменьшить время перехода транзистора из закрытого состояния в открытое?

3. Как влияет на работу транзистора в ключевом режиме индуктивная нагрузка в цепи коллектора?

4. Как уменьшить величину перенапряжения на коллекторе транзистора при его работе в ключевом режиме на индуктивную нагрузку?

Лабораторная работа № 8 исследование усилительных каскадов на базе операционных усилителей

Цель работы - ознакомиться с операционным усилителем (ОУ), его техническими характеристиками и исследовать три основных схемы усилителей с ОУ.

Используемое оборудование:

• испытательный стенд;

• двухканальный осциллограф;

• двухполярный источник питания ^12 В;

• цифровой вольтметр (типа В7-22, В7-27);

• генератор сигналов;

• потенциометрических делитель напряжения.

Программа работы

1. Используя справочник по интегральным микросхемам, ознакомьтесь со схемой и техническими характеристиками операционного усилителя, используемого в стенде.

2. Соберите схему усилительного каскада с последовательной обратной связью по напряжению согласно рис.8.1 (неинвертирующий усилитель).

Рис.8.1

Подключите питание – двухполярный источник постоянного напряжения 12В. Закоротите входные зажимы ОУ и с помощью осциллографа убедитесь, что напряжение на выходе усилителя близко к нулю. Возможно появление высокочастотных колебаний (самовозбуждение), в этом случае включите цепь частотной коррекции, рекомендуемую в справочнике по операционным усилителям, и добейтесь отсутствия колебаний.

2.1. Определите с помощью цифрового вольтметра напряжение смещения нуля на выходе ОУ и его знак. Разделите полученную величину на коэффициент усиления, равный 11, и сравните приведенное по входу напряжение смещения нуля со справочными данными. Включите цепь коррекции нуля и добейтесь минимально возможной величины напряжения на выходе ОУ. Запишите значения напряжения смещения на выходе ОУ без коррекции и с коррекцией.

2.2. Подключите по входу усилителя генератор синусоидальных сигналов. Установите частоту сигнала 1000 Гц и, плавно увеличивая напряжение генератора, проследите за величиной и формой выходного напряжения. Для этой цели подключите входы двухканального осциллографа к входу и выходу усилительного каскада на ОУ. Убедитесь, что фазы напряжений на входе и выходе совпадают. Зарисуйте полученные осциллограммы. Убедитесь также в том, что выходные уровни напряжений в усилителе ограничены.

Определите предельные уровни выходных напряжений и сравните полученные значения с уровнями напряжений питания.

Определите методом двойной амплитуды (по возможности точнее) коэффициент усиления и сравните полученное значение с расчетным, определенным по формуле:

.

Проверьте с помощью омметра фактические значения резисторов R₁ и R₂ и уточните расчетное значение коэффициента усиления.

Изменяя частоту входного сигнала в сторону ее уменьшения, убедитесь, что усилитель работоспособен при сколь угодно медленных колебаниях сигнала (форма, амплитуда и фаза выходного сигнала остаются неизменными).

Изменяя частоту входного сигнала в сторону ее увеличения, определите высокочастотную границу рабочего диапазона частот усилителя.

2.3. Определите быстродействие усилителя как скорость изменения выходного напряжения. Для этого подключите ко входу генератор прямоугольных импульсов с амплитудой 0,5 – 2 В и частотой 20 – 50 кГц. Форма выходных импульсов обычно бывает трапецеидальной. Быстродействие определите по наклону фронта или спада выходного импульса U_вых/t_{ф (В/мкс)}. Сравните полученную величину с паспортными данными на операционный усилитель.

3. Соберите инвертирующий усилитель по схеме согласно рис.8.2.

Рис.8.2

Входное сопротивление этого усилителя равно сопротивлению резистора R₁, а коэффициент усиления определяется отношением:

.

3.1. Подключите к входу усилителя генератор синусоидальных сигналов. Установите частоту сигнала 1000 Гц и, плавно увеличивая напряжение генератора, проследите за величиной и формой выходного напряжения. Для этой цели подключите входы двухканального осциллографа к входу и выходу усилительного каскада на ОУ. Убедитесь, что фазы напряжений на входе и выходе ОУ сдвинуты на 180 эл. град.. Зарисуйте полученные осциллограммы.

Определите методом двойной амплитуды (по возможности, точнее) коэффициент усиления и сравните полученное значение с расчетным, с учетом фактических значений R₁ и R₂.

3.2. Измерьте внутренний коэффициент усиления операционного усилителя. Для этого установите частоту сигнала 50 Гц и напряжение на выходе близкое к ограничению. С помощью цифрового вольтметра В7-22 проведите измерение напряжений на выходе и непосредственно на инверсном входе ОУ U_Д, по отношению этих напряжений определите внутренний коэффициент усиления

.

4. Соберите дифференциальный усилительный каскад по схеме согласно рис.8.3.

В этом каскаде важно выполнение равенства

.

Рис.8.3

В лабораторном стенде резистор R₂' регулируется в пределах от 90 до 110 кОм. Отрегулируйте усилитель. Для этого подайте на оба входа один и тот же сигнал и добейтесь регулировкой R₂' отсутствия напряжения на выходе.

Убедитесь в работоспособности усилителя, подавая на его входы напряжения с разными уровнями и полярностью. Напряжения можно получить с помощью потенциометрических делителей напряжения, включаемых между источниками питания +12В и –12 В.

Контрольные вопросы

1. Что такое операционный усилитель?

2. Какими техническими данными характеризуются ОУ?

3. Перечислите известные функциональные возможности операционного усилителя.

4. От чего зависит коэффициент усиления каскада с ОУ?

5. От чего зависит частотный диапазон схемы с ОУ?

6. Какую величину имеет входное и выходное сопротивление ОУ?

7. Изобразите схемы усилительных каскадов на базе операционного усилителя и охарактеризуйте каждую из них.

Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ СХЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Цель работы - исследовать различные варианты практических схем с использованием ОУ.

Используемое оборудование:

• испытательный стенд;

• двухканальный осциллограф;

• двухполярный источник питания ^12 В;

• регулируемый блок питания Б5-47(46);

• цифровой вольтметр (типа В7-22, В7-27);

• генератор сигналов.

Программа работы

1. Соберите фильтр низких частот по схеме согласно рис.9.1.

Подайте на вход схемы напряжение с выхода генератора сигналов и, регулируя его частоту f_г, снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) фильтра k = f(f_г). Убедитесь, что в области низких частот коэффициент передачи фильтра равен R₂/R₁, а верхняя граничная частота (частота среза f_c на уровне –3 db)

.

Рис.9.1

Наклон частотной характеристики в полосе затухания, справа от частоты среза f_c составляет 6 дБ/октаву (напряжение падает вдвое при двойном увеличении частоты).

Отключите конденсатор С₁ и снимите аналогично АЧХ ОУ без частотной коррекции. Сравните обе характеристики между собой.

2. Соберите схему сумматора напряжений (рис.9.2).

Рис.9.2

Подайте на входы схемы одинаковые по амплитуде (примерно 0,5 В) и фазе напряжения от двух генераторов с частотой 1000 Гц (для этого необходимо оба генератора соединить по выходу и входу синхронизации). Измерьте оба входных напряжения и выходное с помощью осциллографа и убедитесь, что выходное напряжение представляет усиленный в k = R₂/R₁ раз и сдвинутый по фазе на 180 эл. град. сигнал от суммы двух входных сигналов.

Установите частоту одного из генераторов 10000 Гц и зарисуйте осциллограммы входных и выходного сигнала. Полученный выходной сигнал представляет собой сумму двух входных сигналов разной частоты, усиленную в k раз, и в качественном отношении представляет вариант амплитудной модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным.

3. Соберите линейный выпрямитель по схеме согласно рис.9.3.

'

Рис.9.3

Подайте на вход ОУ переменное синусоидальное напряжение с частотой 1000 Гц. К выходу подключите осциллограф и цифровой вольтметр постоянного напряжения.

Снимите передаточную характеристику U_вых = f(U_вх). Убедитесь, что характеристика линейна и описывается выражением

_,

где U_вх – действующее значение входного переменного напряжения.

Для лучшего понимания работы выпрямителя посмотрите с помощью осциллографа напряжения в точке соединения резисторов R₂ и R₃. Определите назначение элементов R_3, C₁.

8. Соберите схему функционального преобразователя согласно рис.9.4.

Подайте на вход ОУ напряжение от источника постоянного регулируемого напряжения положительной полярности. Подключите к выходу вольтметр постоянного напряжения. Снимите передаточную характеристику U_вых = f(U_вх). Убедитесь, что передаточная характеристика кусочно-линейная. Найдите ориентировочно точки перегиба. Проанализируйте работу схемы.

Рис.9.4