51

исследованных усилителей.

1.11 Ответить на следующие вопросы:

−Каково фазовое соотношение между напряжениями на входе и выходе усилителя?

−Как и почему влияет конденсатора CЭ на параметры усилителя:

RВХ, RВЫХ, KU?

−При каких величинах напряжения на входе усилителя возникают заметные нелинейные искажения (при наличии конденсатора CЭ и без него)?

−Объяснить причины появления нелинейных искажений выходного напряжения при выполнении пунктов п.п. 1.6 и 1.8.

−Определите коэффициент усиления мощности усилителя по

используя данные таблиц 11.2 и 11.5 соответственно). Результат занести в отчет.

2 Исследование усилителя напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК

2.1 Для исследования характеристик усилителя по схеме с общим коллектором собрать цепь (рисунок 11.6). С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: переключить первый мультиметр в режим измерения постоянного тока на пределе 20 мкА; второй

– в режим измерения постоянного тока на пределе 2 мА; третий – в режим измерения постоянного напряжения на пределе 20 В. Выход «СИНХР» генератора напряжений специальной формы соединить со входом «1:1» осциллографа, тумблер «СИНХР.» осциллографа перевести в положение «·□». Подать питание на стенд, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «I».

2.2 Определить параметры точки покоя усилителя. При отключенном от схемы источнике переменного напряжения установить рабочую точку

52

транзистора усилителя по постоянному току. Для этого, используя потенциометр RП, необходимо установить напряжение UКЭ = 5 В. Измерить параметры режима транзистора по постоянному току IБ.РТ, UБЭ.РТ, IЭ.РТ и UЭ.РТ.

UБЭ.РТ и UКЭ.РТ измерить третьим мультиметром, поочередно подключив его к точкам Б-Э и К-Э соответственно. Результаты измерений токов и напряжений занести в таблицу 11.7.

RП А2

10 кОм

O

Рисунок 11.6 – Схема усилителя напряжения на биполярном транзисторе с общим коллектором

2.3 Определить фазовое соотношение между входным и выходным напряжением и коэффициент усиления усилителя. Регулятором «ЧАСТОТА» установить частоту напряжения генератора ГНСФ равной 1 кГц. Вместо первого и второго мультиметров подключить перемычки. Переключить первый и второй мультиметры в режим измерения переменного напряжения

53

на пределе 2 В. Проконтролировать с помощью третьего мультиметра, что напряжение UКЭ = 5 В (при необходимости произвести подстройку потенциометром RП). Подключить к усилителю источник переменного напряжения. Измерить действующие значения напряжения на входе (UВХ) и выходе (UВЫХ) усилителя. Для этого подключить измерительные щупы первого мультиметра к точкам А-O и установить величину UВХ, указанную в таблице 11.8. К выходу усилителя (точки С-O) подключить измерительные щупы второго мультиметра. Начертить в масштабе осциллограммы напряжений на входе (uВХ) и выходе (uВЫХ) усилителя. Сопоставить осциллограммы и определить фазовый сдвиг между напряжениями на входе и выходе усилителя (ϕ). Занести результаты измерений и вычислений в таблицу 11.8.

Вычислить коэффициент усиления по напряжению и занести результат в таблицу 11.8, используя следующее соотношение KU =UВЫХ UВХ .

Повторить описанные выше измерения п.п. 1.4–1.6. Занести результаты измерений в таблицы 11.8 и 11.9.

Таблица 11.7 – Исследование режима работы каскада с ОК по постоянному току

Таблица 11.8 – Определение КU, RВХ, ϕ и RВЫХ усилителя с ОК

54

2.3 Снять питание со стенда, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «O». Разобрать схему эксперимента.

2.4Построить графики зависимостей UВЫХ = f(UВХ) и KU = f(UВХ) для исследованных усилителей.

2.5Ответить на следующие вопросы:

−Каково фазовое соотношение между напряжениями на входе и выходе усилителя?

−Определите коэффициент усиления мощности усилителя по

занести в отчет.

− Сравнить параметры и указать основные назначения усилителей, собранных по схемам с ОЭ и ОК.

Содержание отчета, форма и правила оформления отчета по лабораторной работе

Аналогично лабораторной работы №9.

Вопросы для защиты работы

1.Какова структура биполярного транзистора? Какие напряжения подаются на его р-n-переходы в различных режимах работы?

2.В чем заключается принцип действия биполярного транзистора?

3.Какие носители заряда являются основными и неосновными в эмиттерной, базовой и коллекторной областях?

55

4.Какие существуют схемы включения транзистора и какую величину усиливает при этом транзистор?

5.Какие процессы происходят в транзисторной структуре в усилительном режиме работы?

6.Как объяснить физически усиление по току в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ?

7.Постройте семейства выходных и входных характеристик биполярного транзистора и дайте объяснение вида кривых.

8.На семействе выходных характеристик транзистора с ОЭ отметьте области, соответствующие режимам отсечки, насыщения и усиления.

9.Как по входным и выходным характеристикам транзистора и заданному сопротивлению нагрузки графически найти коэффициенты усиления по току

инапряжению каскада на биполярном транзисторе в заданной рабочей точке?

10.Какими преимуществами обладают полевые транзисторы по сравнению с биполярными?

11.Какие режимы работы биполярного и полевого транзистора Вам известны и в чем их особенности?

12.Отчего зависит коэффициент усиления напряжения усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером?

13.От каких параметров зависит коэффициент усиления каскада на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером?

14.Что такое нагрузочная характеристика каскада, как она описывается и строится?

15.Какие существуют режимы работы биполярного транзистора в зависимости от положения рабочей точки, в чем заключаются их особенности?

16.Как графически определить амплитуды выходного напряжения и выходного тока усилительного каскада на биполярном транзисторе при заданной амплитуде входного гармонического сигнала?

56

17.Как графически определить мощность, потребляемую от источника питания, и коэффициент полезного действия усилительного каскада на биполярном транзисторе при заданной амплитуде входного гармонического сигнала?

18.Какие методы стабилизации режима покоя Вы знаете?

19.Что такое коэффициент нестабильности каскада и как он влияет на точность поддержания режима покоя каскада при изменении температуры окружающей среды?

20.Почему выходные транзисторы усилителей мощности обычно включают по схеме с общим коллектором?

21.Что такое обратная связь в усилителе? Какие типы обратной связи влияют на входное и выходное сопротивление усилительного устройства?

22.Что такое передаточная функция усилительного устройства?

23.По каким признакам классифицируются усилительные устройства?

24.Как изменяется полоса пропускания усилительного устройства при введении различных цепей обратных связей?

25.Какие существуют структурные схемы усилительных устройств?

26.Какие элементы схемы усилителя на транзисторе с ОЭ влияют на АЧХ усилителя?

27.Как зависят параметры транзистора от температуры и других условий работы?

57

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 (4 часа)

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель и содержание

Цель работы: Ознакомление c характеристиками операционного усилителя (ОУ) и принципами построения схем преобразователей аналоговых сигналов на основе операционного усилителя.

Содержание работы:

1.Изучить устройство и принцип действия ОУ.

2.Исследовать свойства и параметры инвертирующего усилителя.

3.Исследовать свойства и параметры неинвертирующего усилителя.

4.Исследование ОУ в динамическом режиме.

Теоретическое обоснование

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью.

На рисунке 12.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой P (positive – положительный), а инвертирующий - буквой N (negative – отрицательный). Выходное напряжение UВЫХ находится в одной фазе с разностью входных напряжений UВХ = UP – UN.

В литературе часто используют условные графические обозначения приведенное на рисунке 12.2.

Рисунок 12.1 – Обозначение ОУ: а) графического обозначения; б) упрощенное обозначение

Вывод для подключения положительного напряжения питания

Инвертирующий вход

Выход

Неинвертирующий вход

Вывод для подключения отрицательного напряжения питания

Рисунок 12.2 – Нестандартное обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя, как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется два источника постоянного тока, которые подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Типичные значения напряжений питания для ОУ общего применения U+ = 1,5…15 В, U– = –15…–1,5 В.

Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рисунком 12.3.

-

βU ВЫХ

Цепь обратной связи β

Рисунок 12.3 – Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи к входу усилителя. Если, как это показано на рисунке 12.3, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной. В этом случае справедливо следующее

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя.

Для понимания принципов функционирования схем на ОУ и приближенного их анализа можно ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ имеет следующие свойства:

а) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K = UВЫХ (UP −U N ) (для реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.); б) нулевое напряжение смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм, приведенное к входу, находится

в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

В реальных ОУ режиму uВЫХ = 0 соответствует ненулевое напряжение uP −uN =Uсм , которое называется напряжением смещения нуля

(рисунок 12.4).

Поскольку операционный усилитель усиливает сигнал, начиная с нулевой частоты, возникает проблема температурного дрейфа напряжения смещения нуля. Это напряжение может быть скомпенсировано применением цепей балансировки нуля при настройке схемы. Но проблема заключается в том, что с изменением температуры это напряжение меняется, что приводит к появлению паразитного сигнала на выходе.

Рисунок 12.4 – Передаточная характеристика ОУ