4.Собрать схему, показанную на рис. 2.2.
5.Проделать пункты 1-3.
Содержание отчета
1.Название работы.
2.Цель работы.
3.Принципиальные схемы электрических цепей с показаниями изме- рительных приборов, экспериментально полученные графики.
4.Выводы.
Контрольные вопросы
1.Методы установки рабочей точки в усилительном каскаде на поле- вом транзисторе.
2.Объяснить назначение конденсатора C3 в схеме.
3.Виды усилителей на полевых транзисторах.
4.Почему усилитель на полевом транзисторе обладает большим входным сопротивлением?
3.ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Цель работы: Изучение основных параметров и характеристик схем на операционных усилителях.
Домашнее задание
Изучить по литературе [2,8] принцип работы операционного усилителя
исхем, построенных на его основе.
3.1Краткие сведения из теории
Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. Преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных свя- зей усилителя и отличается высокой стабильностью. Кроме того, благода-
ря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. На рис. 3.1 показано схематическое обозначение
9
операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде диф- ференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений: Uвых = U1 - U2
Рис. 3.1. Обозначение ОУ
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, исполь- зуется двухполярное питающее напряжение. Для этого предусмотрено два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 3.1, подклю- чаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В.
Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицатель- ной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ. Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 3.2.
Рис. 3.2. Принцип работы отрицательной обратной связи
Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 3.2, напряжение обрат- ной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной. Для физического анализа схемы, представленной на рис. 3.2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент выходное напряжение Uвых, а следовательно, и напряжение обратной связи βUвых также равны
10
нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усили- теля, составит Uд = Uвх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления KU, то величина Uвых быстро возрастет
до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина βUвых. Это приведет к уменьшению напряжения Uд, приложенно- го ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторо- ну, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния
выходное напряжение ОУ
Uвых =KUUд =KU(Uвх - βUвых).
Решив это уравнение относительно Uвых, получим: K=Uвых /Uвх =KU/(1 + βKU)
При βKU >>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью
составит
K ≈ 1/β
Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент уси-
ления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В про-
стейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усили- тель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициен- том ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной свя- зи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, вклю- чение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реали- зовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.
3.1.1 НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ представ- лена на рис. 3.3.
11
Рис.3.3 Неинвертирующий усилитель
Коэффициент усиления схемы вычисляется по формуле: Kу=1+R1/R2
3.1.2 ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Принципиальная схема инвертирующего усилителя представлена на рис. 3.4.
Коэффициент усиления схемы вычисляется по формуле: Kу=-R2/R1. Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего
существенные входные токи, между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включён компенсирующий резистор R3. Сопротивление этого резистора определяется соотношением: R3 = R1R2 /(R1 + R2).
Рис 3.4 Инвертирующий усилитель
3.1.3 АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР
Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора приве- дена на рис.3.5. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охва- ченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC- цепочки.
12
Рис. 3.5 Автоколебательный мультивибратор
Временная диаграмма работы автоколебательного мультивибратора показана на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Временная диаграмма работы автоколебательного мульти-
вибратора
Когда напряжение UC достигает порога срабатывания триггера Шмит- та, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаря- жаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достиг- нет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 3.6).
Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференци-
альное уравнение: dUC/dt=±(UM-UC)/R1C1.
При начальных условиях UC(0) = –Uп решение этого уравнения имеет вид: UC(t)=UM-(UM+UП)exp(-t/R1C1).
13