Источник тока на транзисторе

Одно из важнейших применений схемы ОЭ – источник тока. Иде­альный источник тока обладает очень большим (бесконечным) сопро­тивлением, в результате чего изменение сопротивления нагрузки не меняет проходящий через нее ток. Выходные характеристики транзи­стора обеспечивают режим, близкий к идеальному. Если на его базу подать постоянное смещение, это приведет к работе на какой-то из выходных характеристик (см.рис.2).

Программа работы

1. Измерение сопротивлений переходов

Проверьте сопротивление переходов КБ, ЭБ и КЭ транзисторов (рис.3) с помощью универсального вольтметра в режиме измерения сопротивлений. Обратите внимание на то, что вольтметр в этом слу­чае представляет собой устройство, формирующее различные напря­жения на измеряемом сопротивлении на разных пределах измерения. Объясните, почему на разных пределах измерения измеряемое сопро­тивление различно? Как можно с помощью таких измерений оценить исправность транзистора? Результаты замеров поместите в отчет.

2. Коэффициент усиления транзистора по току.

В схеме (рис.4) определите коэффициент передачи транзистора по току h_21Э при нескольких значениях тока коллектора I_К. Резисторы 4,7 и 1 кОм служат для ограничения задаваемых токов до безопасного для работы транзистора предела.

Ток базы задавайте, изменяя с помощью переключателя сопротивление R1 (4,7; 1МОм и 470, 100, 47 кОм). Ток коллектора измеряйте универсальным вольтметром в режиме измерения токов. Результаты измерений поместите в табл.1.

Таблица 1

R1, МОм	U1, В	IБ=(5-U1)/R1, мкА	IК, мА	h21Э
4,7
1
0,47
0,1
0,047

3. Транзисторный ключ.

Исследуйте работу транзисторного ключа (рис.5). Транзистор в этой схеме или “заперт”, или “открыт” (находится в состоянии насыщения). С помощью выключателя SB1 включайте или выключайте ток базы. Меняя базовый ток с помощью R2, понаблюдайте за изменением накала лампочки в коллекторной цепи транзистора. Рассчитайте базовый ток при максимальном значении R2 = 1 кОм. Измерьте вольтметром напряжение U_КЭ. Посмотрите, как изменяется U_КЭ с изменением R2. Каково напряжение на коллекторе закрытого транзистора?

4. Эмиттерный повторитель (рис.6)

Исследуйте работу эмиттерного повторителя при одиночном и двойном источниках питания. Подайте на вход эмиттерного повторителя синусоидальное напряжение (≈1В) от генератора. С помощью осциллографа посмотрите и зарисуйте форму выходного напряжения при различных положениях переключателя SB2 (одиночное и двойное питание каскада).

Поясните свои наблюдения с помощью ВАХ транзистора (рис.2).

5. Измерение входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя.

О пределите входное и выходное сопротивления в схеме (рис.7а). Для определения выходного сопротивления подайте на вход схемы синусоидальное напряжение с генератора (≈1В) и измерьте вольтметром переменного тока выходное напряжение схемы без нагрузки U_ВЫХ и с нагрузкой U_Н. Для оценки выходного сопротивления имейте в виду, что схема представляет собой источник сигнала U_ВЫХ, соединенный последовательно с выходным сопротивлением r_ВЫХ. При подключении нагрузки выходное сопротивление схемы с нагрузкой образуют делитель (рис.7.б,в). Сопротивлением конденсатора можно пренебречь.

Для определения входного сопротивления схемы отсоедините нагрузку и измерьте напряжение на обоих концах базового резистора 10кОм. Эти измерения помогут вам определить входной ток схемы I_ВХ=(U₁-U₂)/10.

Рассчитайте входное сопротивление схемы до и после базового резистора R_ВХ=U_ВХ/I_ВХ.

6. Динамический диапазон эмиттерного повторителя.

О пределите динамический диапазон схемы (рис.8). Для этого на вход схемы подайте от генератора синусоидальный сигнал, а на выход схемы подключите осциллограф. Увеличивайте амплитуду входного сигнала до появления нелинейных искажений на выходе. Оцените с помощью осциллографа динамический диапазон исследуемого эмиттерного повторителя, измерив амплитуду сигнала, соотнесите максимальную амплитуду с напряжением питания схемы. Подключите нагрузку к каскаду. Посмотрите, как она влияет на динамический диапазон схемы. Посмотрите, как выбрана рабочая точка транзистора. Для этого измерьте постоянное напряжение на эмиттере. Будет ли влиять выбор рабочей точки на динамический диапазон?

7. Источник тока (рис.9).

Включите в коллекторную цепь вольтметр в режиме измерения тока (см.рис.9). Изменяйте медленно сопротивление нагрузки и наблюдайте за изменением тока. Запишите минимальный и максимальный ток. Попытайтесь с помощью входных и выходных характеристик транзистора объяснить работу схемы в режиме источника тока. Почему изменение нагрузки меняет ток?

8. Усилитель с общим эмиттером (рис.10).

Определите коэффициент усиления усилителя на частоте 1 кГц. Проверьте с помощью осциллографа, что вы находитесь в линейном режиме. С помощью вольтметра переменного тока определите коэффициент усиления схемы. Результаты измерения запишите в отчет. Приведите расчетное значение коэффициента усиления схемы и сравните его с экспериментальным.

Подключите нагрузку. Как она влияет на коэффициент усиления каскада? Определите выходное сопротивление каскада аналогично пункту 5 данной работы.

Снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) схемы (7-10 точек). Амплитуду входного сигнала выберите сами, пользуясь осциллографом. Измерение напряжений проводите вольтметром переменного тока или осциллографом. Данные измерения АЧХ поместите в табл.2.

Таблица 2

f, кГц	0,1	1	10	100…1000
UВХ, В
UВЫХ, В
К

Лабораторная работа № 2.

Исследование ВАХ диодов и типовых схем на транзисторах.

Цель работы - исследование характеристик диодов, транзисторов и схем подачи смещения на базу транзистора.

Общие сведения.

Д иод содержит один, а транзистор - два перехода, обладающих нелинейными ВАХ, которые представлены на рис.1.

Свойство диодов пропускать ток только в прямом направлении используется для выпрямления сигналов. Разновидность диода - стабилитрон, предназначенный для стабилизации напряжения. Рабочей является обратная ветвь характеристики. ВАХ диодов можно наблюдать на экране осциллографа с помощью построителя динамических характеристик диодов (рис.2). Исследуемый диод подключается к источнику переменного тока последовательно с резистором R=1 кОм. Падение напряжения на резисторе пропорционально току.

,

где 0,6 В – падение напряжения на диоде. Это напряжение отклоняет луч осциллографа в вертикальном направлении («вход Y»). Напряжение на диоде отклоняет луч осциллографа в горизонтальном направлении («вход Х»).

Схемы стабилизации режима.

Наиболее распространённой схемой усиления является схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.3,4,5,6). Рабочая точка задаётся в схемах с помощью базового делителя. Схемы отличаются способом стабилизации режима при воздействии на транзистор температуры. Под действием температуры возникает температурный дрейф, который приводит к увеличению коллекторного тока при увеличении температуры.

В схеме с эмиттерной стабилизацией (см.рис.3) в эмиттерную цепь транзистора включен резистор обратной связи по току, на котором формируется напряжение U_Э, пропорциональное эмиттерному току (I_Э≈I_К). Это напряжение включено последовательно с напряжением U_Б, формируемым базовым делителем. При увеличении коллектор­ного тока напряжение U_Э увеличивается, что приводит к уменьшению управляющего напряжения U_БЭ и к уменьшению коллекторного тока, т.е. к возвращению его к исходному состоянию. Схема с коллекторной стабилизацией (см.рис.4) представляет собой усилитель с параллель­ной обратной связью по напряжению. Здесь увеличение коллекторного тока под действием температуры ведёт к увеличению падения напряжения на коллекторном резисторе (R_К=8,2кОм) и к снижению потенциала коллектора U_К. Это приводит к уменьшению потенциала базы U_БЭ и к уменьшению тока коллектора.

Зависимость тока коллектора от управляющего напряжения

Управляющим для транзистора является напряжение между базой и эмиттером U_БЭ. Теоретически для изменения тока коллектора в 10 раз необходимо изменить U_БЭ на 60 мВ. Схема исследования зависимости тока коллектора I_К транзистора от U_БЭ представлена на рис.6.

Напряжение U_БЭ меняется с помощью сопротивления R2 при подключении его в базовую цепь.

Влияние эмиттерного конденсатора на коэффициент усиления.

Схема с эмиттерной стабилизацией (см.рис.3) имеет отрицательную обратную связь по постоянному и по переменному току, коэффициент усиления её определяется по формуле .

Для увеличения коэффициента усиления усилителя эмиттерный резистор может быть зашунтирован конденсатором C_Э=15мкФ. При этом обратная связь по переменному току исчезнет и коэффициент усиления резко возрастет:

,

где , I_Э – постоянный ток эмиттера 8мА; - внутреннее сопротивление эмиттера.

Токовые зеркала.

Одной из разновидностей источника тока является токовое зеркало (рис.7). Его работа основана на том, что одинаковое управляющее напряжение U_БЭ создаёт одинаковый коллекторный ток в транзисторах VT1 и VT2. Так как переход коллектор-база VT1 закорочен, то его базовый потенциал определяется падением напряжения на коллекторном резисторе R_К транзистора VT1. Если характеристики транзисторов близки (рис.8), то даже температурные изменения не приведут к значительным изменениям тока в нагрузке.

У

R2, кОм	0	47	470	1000	4700

силитель мощности (класс В)

В усилителях часто используют комплементарные (разных проводимостей) пары транзисторов. Такая пара использована в усилителе мощности класса В (рис.9), в котором каждый из транзисторов работает в режиме отсечки (U_БЭ=0). Транзистор n-p-n отпирается положительным входным сигналом, а транзистор p-n-p - отрицательным. Форма выходного сигнала отличается от синусоидальной.

Программа работы.

1. Построение характеристик диода и стабилитрона.

   1. Включите диод последовательно с источником ~6,3 В и резистором 1кОм сначала в прямом, а затем в обратном направлении. Подключите осциллограф так, как показано на схеме (см.рис.2). Переключите развертку осциллографа на «входX». Зарисуйте осциллограмму. Проведите оси и отградуируйте их. Для этого отметьте начало координат, отключив «входX» осциллографа. Для градуировки ветви напряжения имейте в виду, что напряжение открывания диода U_БЭ=0,6В. Для градуировки ветви тока определите проходящий через диод ток.

   2. Повторите пункт 1.1, подключив вместо диода стабилитрон.

2. Измерение зависимости I_К от U_БЭ транзистора. К схеме, изображенной на рис.3, подключите вольтметр для измерения U_БЭ и миллиамперметр для измерения тока коллектора I_К. Напряжение U_БЭ меняйте с помощью сопротивления. Данные эксперимента представьте в виде таблицы и графика.

3. Исследование влияния эмиттерного конденсатора в схеме с ОЭ.

   1. Определите коэффициент усиления схемы с эмиттерной стабилизацией. Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал от генератора, подключив к выходу осциллограф. Измерьте с помощью осциллографа выходной и входной сигналы. Запишите значения входного и выходного сигналов и рассчитайте К=U_ВЫХ/U_ВХ.

   2. Зашунтируйте эмиттерный резистор конденсатором и вновь определите коэффициент усиления.

4. Задание рабочей точки. Режим по постоянному току.

   1. В схеме с коллекторной стабилизацией режима (см.рис.5) определите параметры рабочей точки U_КЭ и I_К. Для этого измерьте напряжение покоя на коллекторе и рассчитайте ток покоя коллектора по формуле I=(15-U_К)/8,2. Убедитесь, подключив генератор к схеме, что она находится в линейном режиме. Определите коэффициент передачи схемы на частоте 1кГц. Измерьте максимальную амплитуду выходного напряжения (на границе появления нелинейных искажений сигнала ).

   2. Обратитесь к другому варианту задания рабочей точки (см.рис.6). Изменяя потенциал базы U_Б с помощью R1, наблюдайте за изменением напряжения на коллекторе. Установите режим, аналогичный предыдущей схеме, и повторите измерения по программе п.4.1. Будет ли схема такой же стабильной при изменении коллекторного тока, например, от температуры?

5. Токовое зеркало.

   1. Соберите токовые зеркала по схеме на рис.6, подключив миллиамперметр. Рассчитайте ток токового зеркала. Измерьте ток в обеих схемах и сравните его с расчетным. Включите подогрев и посмотрите, как при этом меняется ток в течение некоторого времени (транзисторы VT1 и VT2 имеют разную температуру в дискретном варианте схемы по сравнению с согласованной парой).

   2. Включите последовательно с измерительным прибором резистор 8,2кОм и запишите изменение тока I_ВЫХ с изменением нагрузки в обоих вариантах схемы.

6. Усилитель мощности на комплементарной паре транзисторов.

   1. Проверьте вольтметром постоянного тока смещение на выходе при отсутствии входного сигнала (вход закоротите).

   2. Подайте на вход синусоидальный сигнал амплитудой несколько вольт и частотой 1кГц. Включите осциллограф и зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов. Чем объясняются искажения входного сигнала? Попробуйте устранить их, включая в цепь базы резистор или конденсатор на выход.

Лабораторная работа № 3.

Исследование усилительных схем на транзисторах

Цель работы - исследование характеристик усилителей на транзисторах.

Общие сведения

Схема Дарлингтона.

Важнейшими характеристиками усилительных каскадов являются коэффициенты усиления по напряжению К_U и току К_I, входное R_ВХ и выходное R_ВЫХ сопротивление, коэффициент ослабления синфазного сигнала КООС, амплитудно-частотная характеристика учителя АЧХ.

Большим коэффициентом усиления по току h_21Э отличаются схемы на составных транзисторах (схемы Дарлингтона) (рис.1). Эмиттерный ток первого транзистора является базовым током второго транзистора, а коллекторный ток - сумма токов обоих транзисторов. Коэффициент усиления по току равен произведению коэффициентов усиления по току отдельных транзисторов h_21Э≈h₂₁₁*h₂₁₂

На рис.2 изображена схема усилителя на супербета-транзисторе (с очень большим коэффициентом усиления по току ).

Эмиттерный повторитель со следящей ОС

Большим входным сопротивлением обладает схема эмиттерного повторителя R_ВХ≈R_Э(1+h_21Э), изображенная на рис.3. Входное сопротивление обычно ограничивается сопротивлением базового делителя, шунтирующего схему по переменному току.

Входное сопротивление может быть повышено при применении следящей отрицательной обратной связи, возникающей при включении конденсатора этой связи с эмиттера на базу через резистор 4,7кОм (см.рис.3). Входное сопротивление схемы без следящей ОС может быть определено на основании рассмотрения эквивалентной схемы усилителя по переменному току (рис.4,а).

Следящая обратная связь, как это видно из рассмотрения эквивалентной схемы на рис.4,б, устраняет шунтирующее действие базового делителя. Ток обратной связи, протекающий через R3, уменьшает входной ток каскада, что ведёт к увеличению входного сопротивления.

Дифференциальный усилитель.

Д ифференциальный усилитель (ДУ) (рис.5) находит широкое применение в схемотехнике как входной каскад операционных усилителей ОУ. Он имеет два входа и один выход. Назначение усилителя состоит в усилении дифференциального (разностного) и подавлении синфазного . Примером синфазного является сигнал с полумостовой схемы тензодатчика при отсутствии измеряемого датчиком давления. Дифференциальный коэффициент усиления ДУ определяется как отношение выходного сигнала U_ВЫХ к U_Д (К_Д=U_ВЫХ/U_Д), а синфазный коэффициент передачи К_СИНФ=U_ВЫХ/U_СИНФ=R_К/2R_Э, поэтому чем больше R_Э, тем лучше подавляется синфазный сигнал.

АЧХ транзистора на высоких частотах.

Коэффициент усиления транзисторного каскада падает на высоких частотах. Причиной падения является наличие ёмкости коллекторно-базового перехода (десятки nF), которая начинает шунтировать зависимый источник тока транзистора. Доля тока, ответвляющегося в нагрузку, падает, вследствие чего падает выходное напряжение. В схеме на рис.6 параллельно коллекторно-базовому переходу предлагается подключить дополнительный конденсатор, моделирующий увеличение ёмкости транзистора.

Таблица 1

IК, мА	1…10
U=U1-U2, В
IБ=U/4,7, мкА
h21Э

Программа работы

1. Схема Дарлингтона (см.рис.1).

   1. Измерьте параметры точки покоя схемы Дарлингтона I_К и U_БЭ в линейном режиме и режиме насыщения. Уменьшая сопротивление R в цепи базы, добейтесь режима насыщения, соответствующего максимальному коллекторному току. Измерьте U_БЭ схемы и U_КЭ. Сравните эти значения с параметрами насыщения одиночного транзистора, для чего заземлите эмиттер первого транзистора.

   2. Определите коэффициент усиления по току h_21Э схемы Дарлингтона при различных значениях тока коллектора I_К (от 1 до 10 мА). Изменяйте ток коллектора, увеличивая сопротивление R в цепи базы. Соответствующий ток базы вычисляйте по результатам падения напряжения на резисторе 4,7кОм. Результаты измерений сведите в табл.1.

2. Супербета-транзистор ( с очень большим h_21Э).

Повторите измерения, проведенные в п.1 для схемы на супербета транзисторе (см.рис.2). Сравните результаты измерений по пп.1 и 2.

3. Эмиттерный повторитель со следящей связью (см.рис.3).

   1. Измерьте входное сопротивление эмиттерного повторителя. Для этого ко входу усилителя через 10кОм подключите генератор (используйте входной сигнал с частотой 10…100 кГц) и измерьте с помощью вольтметра напряжения в точках А и Б. Проверьте, имеет ли выходной сигнал в точке В такую же амплитуду, как и в точке Б.

   2. Измерьте входное сопротивление эмиттерного повторителя со следящей обратной связью. Включите цепь следящей обратной связи (с выхода схемы точка В на базу транзистора), для чего соедините конденсатор следящей связи C и резистором R3. Измерьте входное сопротивление схемы. Сравните результаты измерений.

   3. Исследуйте каскад в режиме большого сигнала. Закоротите сопротивление 10кОм и отключите конденсатор следящей связи, а затем постепенно увеличивайте входной сигнал, наблюдая с помощью осциллографа выходной. Максимально увеличьте входной сигнал, но не допускайте нелинейных искажений. Определите амплитуду максимального выходного сигнала.

Включите конденсатор следящей обратной связи. Обратите внимание на то, как меняется выходной сигнал. Определите амплитуду максимального выходного сигнала.

4. Дифференциальный усилитель (ДУ).

Измерьте дифференциальный К_С и синфазный К_СИНФ коэффициенты усиления ДУ (см.рис.5).

1. Для измерения К_Д подайте на один из входов малый сигнал, а другой вход заземлите.

2. Для измерения К_СИНФ соедините оба входа между собой и подайте на них сигнал с амплитудой примерно 0,5В. Сравните полученный К_СИНФ с расчетным.

1. Исследование влияния емкости коллекторно-базового перехода транзистора на быстродействие. Исследуемый транзистор включен по схеме с общим эмиттером (см.рис.6).

И

Таблица 2

f, кГц	1…1000
UВЫХ1, В
UВЫХ2, В

змерьте коэффициент усиления схемы на частоте 1кГц. Амплитуду входного сигнала выберите так, чтобы выходной сигнал был синусоидальным. Снимите амплитудно-частотную характеристику схемы сначала без конденсатора, а затем с включенным конденсатором (33пФ).

Результаты измерения и представьте в виде таблицы и графика, выполненного в логарифмическом масштабе (табл.2).

Лабораторная работа № 4

Полевые транзисторы. Аналоговые и ключевые схемы.

Цель работы – исследование характеристик полевых транзисторов (ПТ) и аналоговых и ключевых схем на ПТ.

Общие сведения

Характеристики ПТ

В ПТ управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, поэтому в управляющем электроде (затворе) практически нет тока. Вследствие этого прибор обладает высоким входным сопротивлением. Существует два основных вида ПТ, ПТ с p-n-переходом и ПТ с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Характеристики ПТ с p-n-переходом представлены на рис.1.

Характеристики ПТ имеют большой разброс от экземпляра к экземпляру. Каждый экземпляр различается напряжением отсечки U_ОТС и начальным током стока I_Снач. На выходных характеристиках различают линейный участок и участок насыщения. Рабочим является участок насыщения.

На рис.2 изображена схема для исследования характеристик ПТ.

Источник тока на ПТ

Источник тока на полевом транзисторе представлен на рис.3. Смещение на затвор в этой схеме задается автоматически с помощью резистора R2 в цепи истока U_ЗИ= -I_С*R2. Источник тока хорошо работает до тех пор, пока работа схемы происходит в области насыщения ПТ (см.рис.1). С переходом на линейный участок, когда I_С уменьшается, схема перестает работать как источник тока. При этом R1 изменяется от нуля до R1max.

Истоковый повторитель

Истоковые повторители – это аналоги эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах. Применение ПТ в качестве истоковых повторителей обеспечивает высокое входное сопротивление. Поэтому истоковые повторители применяются как входные каскады в осциллографах и других измерительных приборах. Для схем на ПТ с p-n-переходом (рис.4) смещение на затвор подается автоматически с помощью R_И. При этом затвор соединяется с землей с помощью резистора R1 большого номинала. Ток через него практически не течет, поэтому потенциал затвора равен нулю.

Недостатком схемы являются нелинейные искажения и коэффициент передачи, меньший единицы. Для устранения этих недостатков в цепь истока включают активную нагрузку в виде источника тока на ПТ2 (рис.5). В сочетании с двойным питанием при R₂=R₃ и согласованных ПТ1 и ПТ2 схема гарантирует коэффициент передачи, равный 1, и меньшие нелинейные искажения.

Усилитель с коэффициентом усиления,

управляемым напряжением.

Одним из применений ПТ является использование его в качестве управляемого сопротивления. Сопротивление ПТ изменяется в зависимости от управляющего напряжения по следующему закону:

где R_СИ - сопротивление сток-исток ПТ; К- постоянная.

Сопротивление R_СИ зависит не только от управляющего напряжения U_ЗИ, но и от напряжения, что приводит к возникновению нелинейных искажений сигнала в схеме на рис.6,где ПТ стоит в цепи ОС усилителя и задает его коэффициент усиления. Для устранения зависимости сопротивления от U_СИ с помощью делителя на резисторах R5,R4 0,5U_СИ прибавлено к управляющему напряжению. Таким образом, зависимость преобразуется к виду

,

а нелинейные искажения уменьшаются.

ПТ в качестве аналоговых ключей.

Полевые транзисторы часто применяют в качестве аналоговых ключей. Такие ключи имеют малое сопротивление в проводящем состоянии и высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малую емкость. Ключи управляются напряжением, подаваемым на затвор и переводящим (переключающим ) ключ из одного состояния в другое, т.е. из проводящего режима в закрытый и наоборот. Подача на затвор (на управляющий электрод ПТ) отпирающего напряжения приводит канал сток-исток в проводящее состояние с сопротивлением от 25 до 100 Ом (R_ВКЛ). Сопротивление нагрузки ПТ, включаемой последовательно с каналом, должно иметь величину в диапазоне от 10 до 100 кОм, что предотвращает прохождение сигнала через входную емкость ПТ. На рис.7 представлена схема с аналоговым ключом на ПТ с переходом. Для включения ПТ необходимо подать потенциал со знаком «+» на затвор относительно «земли». Для перевода ключа в закрытое состояние (состояние «выключено») на управляющий вход подается отрицательный потенциал.

Исток ПТ всегда находится под потенциалом «земли», что обеспечивает устойчивое управление ПТ в качестве ключа. Сигнал (ток) подается в нагрузку, когда ПТ находится во включенном (проводящем) состоянии. Выходной сигнал снимается через инвертор, выполненный на операционном усилителе.

ПТ в качестве логических ключей

Л огический ключ предназначен для присоединения нагрузки к «земле». При этом на выходе логического ключа высокий потенциал изменяется на низкий, близкий к потенциалу «земли». Таким образом, ПТ в режиме логического ключа является хорошим устройством сопряжения между логической схемой (которая вырабатывает управляющий сигнал для ПТ) и нагрузкой с большим током или большим напряжением.

Инверторы на КМОП (комплементарные, металл-окисел-полупроводник) транзисторах.

Н а рис.8 представлена схема инвертора на КМОП транзисторах. При «нулевом» уровне на входе схемы включается (открывается) верхний по схеме транзистор и выключается (запирается) нижний, а на выходе схемы появляется высокий уровень сигнала +U_П. При высоком уровне входного сигнала схема переходит в обратное (противоположное) состояние, а уровень выходного сигнала снижается практически до нулевого потенциала. И в открытом, и в закрытом состояниях КМОП-инвертор практически не потребляет тока. Всплеск потребления тока приходится на сравнительно короткий момент переключения схемы. КМОП-инвертор является основой семейства логических схем КМОП - маломощных цифровых схем.

Программа работы

1. Х

   Таблица 2

   UЗИ, В
   UВХ, В
   UВЫХ, В
   K

   арактеристики ПТ.

С

Таблица 1

UЗИ, В
IС1, мА
IС2, мА
IС3, мА

оберите схему для исследования характеристик ПТ (см.рис.2). Измерьте начальный ток стока I_Снач при нулевом управляющем напряжении U_ЗИ=0. Меняйте напряжение U_ЗИ до тех пор, пока ток стока не станет равным нулю. Запишите значение напряжения отсечки U_ОТС.

Измерьте зависимость тока стока I_С от управляющего напряжения U_ЗИ для трех полевых транзисторов. Данные запишите в табл.1 и представьте в виде графиков.

Попадают ли значения I_Снач и U_ОТС в диапазоны 4…10мА и 4…0,5В? Соответствует ли зависимость формуле I_С=К(U_ЗИ-U_ОТС)².

2. ПТ – источник тока (см.рис.3).

Изменяя сопротивление R1, исследуйте границы рабочего диапазона источника тока. Контролируйте ток и напряжение стока. Измерьте U_ЗИ.

3. Истоковый повторитель.

   1. Схема для исследования повторителя представлена на рис.4.

Подайте на вход истокового повторителя синусоидальный сигнал частотой 1кГц. Определите коэффициент усиления схемы. Увеличивая амплитуду входного сигнала, определите динамический диапазон схемы.

2. Схема истокового повторителя с активной нагрузкой (см.рис.5).

Проведите для этой схемы те же исследования, что и для предыдущей схемы.

4. Усилитель с коэффициентом усиления, управляемым напряжением (см.рис.6).

   1. Подайте на вход схемы малый сигнал (<50мВ) частотой 1 кГц. Определите коэффициент усиления при нескольких значениях управляющего напряжения и результаты внесите в табл.2. Увеличьте входной сигнал до появления нелинейных искажений. Зарисуйте форму выходного сигнала. Подключите к истоку ПТ цепь С2, R5 и посмотрите, как это повлияет на форму выходного сигнала.

5. Аналоговый ключ на ПТ с p-n-переходом (см.рис.7).

Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал напряжением 1 В и частотой 1 кГц. Подайте на управляющий вход напряжение +15В, а затем -15B. Снимите осциллограммы выходного напряжения, сравните с осциллограммами входных сигналов.

6. КМОП-инвертор (см.рис.8).

Включите КМОП-инвертор (см.рис.2) и снимите зависимость выходного сигнала от входного напряжения.

Лабораторная работа № 5.

Основные схемы включения ОУ.

Цель работы - изучение основных схем включения и параметров операционных усилителей (ОУ).

Общие сведения

Коэффициент усиления ОУ без обратных связей. Операционный усилитель - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом (рис.1).

Идеальный операционный усилитель обладает:

1) бесконечно большим коэффициентом усиления, поэтому изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах полного диапазона;

2) входы операционного усилителя тока не потребляют.

ОУ имеет инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы. Выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем на входе (-), и наоборот.

Инвертирующий усилитель

Для устойчивой стабильной работы ОУ охватывают отрицательной обратной связью (ООС) с выхода на инвертирующий (-) вход. Устройство, изображенное на рис.2, называется инвертирующим усилителем. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, неинвертирующий вход заземлен. Коэффициент усиления K_U = -R2/R1. Входное сопротивление R_ВХ=R1, выходное сопротивление составляет несколько Ом.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель (рис.3) отличается от инвертирующего тем, что сигнал подается на вход (+) и выходной сигнал совпадает по фазе (знаку) с входным.

Коэффициент усиления К_U=1+R2/R1. Входное сопротивление очень большое (десятки МОм), выходное сопротивление несколько Ом. На базе неинвертирующего усилителя строят повторители напряжения с очень большим входным и малым выходным сопротивлением (рис.4). Они используются в качестве буферных (согласующих) устройств.

Источник тока на ОУ

ОУ используется для построения источников тока (рис.5). Потенциал неинвертирующего входа U₊ задается делителем от источника напряжения 15 В. Ток источника тока определяется как I=U_-/R. Нагрузка включена в цепь обратной связи.

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (рис.6) построен на базе инвертирующего и работает на принципе сложения входных токов. Коэффициент передачи по каждому входу и выходной сигнал схемы

.

Усилитель мощности

Для получения больших выходных токов к выходу ОУ подключают усилитель мощности на транзисторах (рис.7). Чтобы избежать нелинейных искажений, транзисторный каскад также охватывается ООС с выхода на вход ОУ.

Программа работы

1. Коэффициент усиления разомкнутого ОУ.

Схема испытания разомкнутого ОУ представлена на рис.1. Для оценки коэффициента передачи разомкнутого ОУ понаблюдайте за выходным сигналом ОУ, медленно вращая потенциометр. К выходу схемы подключите осциллограф.

2. Инвертирующий усилитель.

На рис.2 представлена схема инвертирующего включения ОУ.

1. Определение коэффициента передачи, динамического и частотного диапазонов инвертирующего усилителя.

Подключите ко входу усилителя генератор и подайте на вход синусоидальный сигнал частотой 1кГц. К выходу усилителя подключите осциллограф. Определите коэффициент усиления усилителя. Меняя амплитуду входного сигнала, найдите максимальный размах выходного сигнала. Меняйте частоту входного сигнала и определите, на какой высокой частоте прекращается хорошая работа усилителя. Замерьте коэффициент передачи на этой частоте. Сравните его с коэффициентом передачи на частоте 1кГц.

2. Определение входного и выходного сопротивления инвертирующего усилителя.

Для измерения входного сопротивления усилителя включите последовательно со входом усилителя резистор 1 кОм. Определите входной ток через падение напряжения на известном резисторе, измерив напряжение на обоих его концах. Частоту синусоидального сигнала установите 1кГц. Измерение проводите в режиме малого сигнала. Следите, чтобы не было искажений сигнала на выходе. Как теоретически рассчитать входное сопротивление инвертирующего усилителя? Сравните его с измеренным.

Измерьте выходное сопротивление усилителя. Для этого измерьте выходной сигнал усилителя без нагрузки, а затем подключите нагрузочное сопротивление и, меняя сопротивление нагрузочного резистора, добейтесь уменьшения выходного сигнала пополам. Затем измерьте сопротивление потенциометра универсальным вольтметром, отключив предварительно потенциометр от схемы. Так как ОУ не может дать выходного тока больше нескольких миллиампер, то входной сигнал следует удерживать малым.

3. Неинвертирующий усилитель.

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.4.

1. Определение коэффициента передачи неинвертирующего усилителя.

Проведите измерение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя аналогично п.2.1.

2. Определение входного и выходного сопротивления усилителя.

Измерьте входное сопротивление на частоте 1кГц, подключив входной сигнал через резистор 100кОм или 1МОм. Выходное сопротивление попробуйте оценить так же, как в п.2.2

4. Повторитель.

Схема повторителя представлена на рис.4.

Проверьте его коэффициент передачи, измерьте входное и выходное сопротивления. Определите частотный диапазон схемы.

5. Источник тока.

Схема источника тока на ОУ представлена на рис.5.

Включите в цепь нагрузки универсальный вольтметр в режиме измерения тока. Определите ток источника тока. Попробуйте изменять нагрузку 2,5кОм и посмотрите, как при этом меняется ток. Определите расчётным путём ток через нагрузку, опираясь на свойства ОУ:

1. U_-=U₊

2. I_ОС= - I_ВХ

U₊ можете померять вольтметром, входной ток определите через известное входное сопротивление R_ВХ=180(Ом)

6. Суммирующий усилитель.

Схема суммирующего усилителя представлена на рис.6. Напряжение на входах либо +5В, либо 0. Напряжение на выходе определите расчетным путем и экспериментально для различных сочетаний, предложенных преподавателем. Схема является аналоговым преобразователем входного двоичного кода в десятичный.

7. Пушпульный буфер.

Исследуемая схема представлена на рис.7.

1. Подключение пушпульного усилителя мощности, последовательное с ОУ.

Возбудите схему синусоидальным колебаниями частотой 100…500Гц. Посмотрите и зарисуйте выходной сигнал ОУ и выходной сигнал пушпульного каскада . Сигнал на выходе должен быть в несколько вольт.

2. Включение пушпульного каскада в схему с обратной связью.

Подсоедините резистор обратной связи 100кОм к выходу пушпульного каскада так, чтобы образовалась обратная связь с его выхода на вход ОУ, посмотрите с помощью осциллографа вид выходного сигнала.

Лабораторная работа № 6.

Исследование погрешностей ОУ и схем на ОУ.

Цель работы - познакомится с ограничениями, свойственными ОУ, а также схемами выпрямителей, ограничителя, интегратора и дифференциатора на ОУ.

Общие сведения

Быстродействие ОУ

Операционный усилитель имеет ограниченное быстродействие. Это проявляется в искажении формы прямоугольного импульса, поданного на вход, а также в снижении коэффициента передачи ОУ на высоких частотах. Наиболее распространенные ОУ имеют верхнюю граничную частоту усиления 1 МГц, на той частоте коэффициент усиления ОУ без обратной связи равен 1 (сравните - десятки и сотни тысяч на постоянном токе). Уменьшение коэффициента усиления от частоты идет с высокой скоростью - не ниже 20дБ на декаду. Основная характеристика ОУ по быстродействию - скорость нарастания напряжения U, типичное значение 5 В/мкс. Ограничение усилителя по быстродействию исследуется с помощью схемы, изображенной на рис.1, где сигнал подается на неинвертирующий вход повторителя напряжения (ОУ охвачен стопроцентной отрицательной обратной связью).

Напряжение сдвига ОУ.

Другое ограничение, свойственное ОУ, связано с напряжением сдвига на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала. Усиливаясь последующими усилителями, это напряжение мешает нормальной работе схем, сужая динамический диапазон усилителя.

Напряжение сдвига входного сигнала имеет две составляющие: одна из них вызвана напряжением смещения, а другая – токами смещения ОУ.

Н апряжение сдвига можно устранить либо подав на вход компенсирующее напряжение, либо воспользовавшись внутренней регулировкой напряжения сдвига (рис.2).

Н а рис.3 представлена эквивалентная схема ОУ с источником напряжения смещения и источником тока смещения и .

Ток смещения воспринимается как входной ток, текущий через сопротивление R1. Поэтому он вызывает напряжение сдвига . Ток ведет к появлению напряжения на неинвертирующем входе усилителя и вызывает выходное напряжение . Напряжение на выходе будет равно разности напряжений от токов и . Для ослабления входного тока смещения делают сопротивления со стороны обоих входов одинаковыми . При = это условие позволяет избавиться от сдвига напряжения, вызванного токами смещения. При остается составляющая от разницы токов смещения.

С помощью схемы, изображенной на рис.4, можно провести измерение напряжения сдвига операционного усилителя, используя сам усилитель для усиления напряжения сдвига. Измерения следует проводить при нулевом значении входного сигнала (вход закоротить). Если выполнено условие , то напряжение сдвига в основном определяется напряжением смещения и может быть пересчитано ко входу усилителя через его коэффициент усиления

Если устранить теперь регулировкой (см.рис.2) напряжение сдвига, то для определения тока смещения данного усилителя необходимо разбалансировать усилитель по току – поставить последовательно с резистором R3 сопротивление, достаточное для измерения падения напряжения на нем от тока (см.рис.3). Обычно выбирают R3=R2. В этом случае падение напряжения на R3 будет соответствовать напряжению сдвига от тока смещения на выходе ОУ при несбалансированном по току смещения усилителе. При R3=0, , .

Выпрямление сигналов с помощью ОУ

Схемы активных однополупериодных выпрямителей представлены на рис.5 и 6. Малые сигналы (меньше, чем падение напряжения на открытом диоде) не могут быть выпрямлены с помощью пассивных диодно-резистивных схем. Для выпрямления таких сигналов применяют ОУ, в цепь обратной связи которых помещают диод. Для положительного напряжения U_ВХ диод обеспечивает отрицательную обратную связь. Выходной сигнал повторяет входной сигнал, причем исключается влияние падения напряжения U_БЭ. При отрицательном напряжении U_ВХ операционный усилитель переходит в режим насыщения, а напряжение U_ВЫХ, которое снимается с резистора, становится равным потенциалу земли.

Недостатком схемы (см.рис.5) является ограниченное быстродействие, в связи с чем она не может выпрямлять высокочастотные сигналы. Это объясняется тем, что переход усилителя из состояния насыщения (U_П-) (рис.7) в активный режим не может быть достаточно быстрым, так как занимает некоторое время, в течение которого состояние выхода является неправильным.

Этот недостаток не присущ схеме, представленной на рис.6. Благодаря диоду VD1 с отрицательными входными сигналами схема работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Для положительных входных сигналов диод VD2 ограничивает выходное напряжение ОУ по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде, а так как диод VD1 смещен в обратном направлении, то напряжение на выходе схемы равно потенциалу земли. В этой схеме быстродействие выше, поскольку при переходе входного сигнала через нуль напряжение на выходе изменяется всего лишь на удвоенную величину падения напряжения на диоде (≈1,2В).

Активный ограничитель

Схема активного ограничителя представлена на рис.8. При входном напряжении U_ВХ, меньшем установленного значения U₁, выход ОУ переходит в состояние насыщения (диод VD1 – закрыт) и выполняется условие U_ВЫХ=U_ВХ. Когда напряжение U_ВХ превысит выставленное значение U₁, диод замыкает цепь обратной связи и фиксирует на выходе значение U₁.

Интегратор

Схема интегратора на ОУ представлена на рис.9. Входной ток U_ВХ/R протекает через конденсатор С. Выходное напряжение определяется следующим образом:

или .

Схеме присущ недостаток, связанный с дрейфом выходного напряжения, возникающим от напряжения и токов смещения ОУ. Это явление ослабляется путем введения большого резистора обратной связи R_ОС, что обеспечивает стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току.

f, кГц
UВХ, В
UВЫХ, В

Дифференциатор

Схема дифференциатора представлена на рис.10. Неинвертирующий вход дифференциатора заземлен, поэтому входной ток схемы , а выходное напряжение .

Формулы справедливы для идеального дифференциатора, в который входят только элементы C1=C и R2=R.

Из-за того, что дифференциатор – фильтр верхних частот, то для ослабления действия шума и высокочастотных помех (ОУ имеет большой коэффициент усиления на высоких частотах и внутренние фазовые сдвиги) дифференцирующие свойства ослабляют на высоких частотах включением в схему резистора R1 и конденсатора C2. На высоких частотах благодаря резистору R1 и конденсатору C2 схема начинает работать как интегратор.

Программа работы

1. Быстродействие ОУ

С помощью схемы, изображенной на рис.1, исследуйте быстродействие ОУ.

1. Подайте на вход прямоугольные импульсы с частотой около 1кГц и посмотрите на осциллографе выходной сигнал. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения. Определите скорость нарастания по крутизне переходных участков. Посмотрите, что происходит при изменении амплитуды входного сигнала.

2. Подайте на вход синусоидальные колебания и снимите зависимость выходного сигнала от частоты . Данные поместите в таблицу.

1. Напряжение сдвига (см.рис.4)

   1. Измерьте напряжения сдвига ОУ, предварительно закоротив его вход на землю. Запишите результат. Сравните это напряжение с паспортными данными этого усилителя (для 140УД7, если е_см≤900мкВ).

   2. Измерение тока смещения ОУ

С помощью внутренней регулировки (см.рис.2), вращая потенциометр 10кОм, компенсируйте напряжение сдвига от е_см. Отключите вход усилителя от земли и измерьте напряжение на резисторе R3. Определите ток смещения (см.рис.3).

Измерьте напряжение сдвига от тока смещения на выходе усилителя, сравните его с расчетным ( ). Как оно меняется с ростом сопротивления обратной связи R2 при том же коэффициенте усиления усилителя?

3. Выпрямление сигналов с помощью ОУ.

   1. Однополупериодный выпрямитель (см.рис.5).

Подайте на вход выпрямителя напряжение с генератора частотой 100Гц. Зарисуйте форму выходного сигнала и сигнала на выходе ОУ.

Увеличивайте частоту генератора (1…10кГц). Как изменится форма выходного сигнала? Зарисуйте выходной сигнал.

2. Повторите с активным выпрямителем, изображенным на рис.6, программу п.3.1. Сравните схемы.

1. Активный ограничитель (см.рис.8).

Соберите схему активного ограничителя. Выставьте на неинвертирующем входе ОУ напряжение ограничения U₊=2В. Подайте на вход схемы синусоидальный сигнал амплитудой более 2В и частотой 1кГц. Зарисуйте форму выходного напряжения и сигнала на выходе ОУ. Измените уровень опорного напряжения, увеличивая и уменьшая его. Как изменится форма выходного сигнала? Поверните диод и исследуйте схему в таком состоянии.

5. Интегратор (см.рис.9).

Подайте на вход интегратора прямоугольные импульсы частотой 1кГц. Зарисуйте форму выходного напряжения и определите амплитуду импульса.

Измените частоту генератора до 500кГц, измерьте амплитуду выходного импульса и по параметрам схемы рассчитайте эту амплитуду. Сравните Экспериментальное значение амплитуды с расчетным.

6. Дифференциатор (см.рис.10).

Подайте на вход схемы прямоугольные импульсы частотой 500Гц; 1кГц. Зарисуйте и объясните форму выходного напряжения. Максимально увеличьте частоту генератора. Как это отражается на форме выходных импульсов?

Лабораторная работа № 7.