Схемы включения операционного усилителя

В.И. Паутов

ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания по выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения

Часть 2

Екатеринбург

ББК 32.881

УДК 621.391

Рецензент: доцент, к.т.н., Муханов В.В.

Паутов В.И.,

Электроника: Методические указания по выполнению лабораторных работ / В.И. Паутов.- Екатеринбург: УрФУ, 2011 - 24 с.

Сборник включает методические указания к трем лабораторным работам: «Усилитель с RC–связями», «Схемы включения операционного усилителя», «Исследование выпрямителя с фильтром» и предназначен для студентов всех форм обучения направления подготовки 230100 – «Информатика и вычислительная техника»

©УрФУ, 2011

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по курсу "Электроника», составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по специальности 230105.65 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

Каждая работа расчитана на два часа аудиторных занятий. В течение этого времени студенты должны полностью выполнить программу работы.

Цель лабораторного практикума состоит в более углубленном изучении студентами отдельных разделов программы курса. При выполнении работы студенты приобретают навыки проводить практические расчеты электронных схем, учатся пользоваться специальной и справочной литературой.

Руководство содержит описания лабораторных работ, в которых приведены цели работы, порядок выполнения работ, порядок оформлении отчета, перечень литературы. В каждой работе имеется раздел самостоятельной подготовки студентов к занятиям в лаборатории.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

УСИЛИТЕЛЬ С RC-СВЯЗЯМИ

1. Цель работы:

1.1 Определить параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе по переменному току.

1.2 Сравнить измеренные параметры с расчетными значениями.

1.3 Определить параметры усилительного каскада с обратной связью.

2. Подготовка к выполнению работы:

2.1 Изучите схему усилителя переменного тока. Объясните назначение элементов схемы, в том числе транзистора.

2.2 Укажите элементы схемы, обеспечивающие обратную связь.

2.3 Продумайте методику проведения исследований.

2.4 Ответьте на контрольные вопросы.

3. Расчетная часть:

R _КН

3.1 Вычислить коэффициент усиления по напряжению однокаскадного усилителя

R _ВХ

К _U = В,,, (6.1)

где R _КН – параллельное соединение сопротивлений R _К и R _Н. Сопротивление R _Квыбрать из таблицы 7 предыдущей работы. Сопротивление нагрузки принять R _Н≈ 2 R _К. Выбрать ближайшее большее значение из ряда Е12
(1; 1,2; 1,5; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2).

Статический коэффициент усиления транзистора В = h ₂₁ и значение
R _ВХ = h₁₁, взять из предыдущей работы.

3.2 Вычислить емкостное сопротивление конденсатора С_Э на частоте
f = 2000 Гц. Х_Сэ = 1/(2πfC_Э). Убедиться, что Х_Сэ < R_Э;

4. Общие положения, термины и определения:

4.1 В электронике усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических сигналов. Увеличение мощности сигнала в усилителях происходит за счет энергии источника питания. С позиции теории электрических цепей усилитель представляет собой управляемый источник напряжения (рисунок 16), выходная мощность которого превышает входную.

Основные параметры усилителя:

· коэффициент усиления по напряжению

; (6.2)

· коэффициент усиления по току

; (6.3)

· коэффициент усиления по мощности

; (6.4)

· входное сопротивление

; (6.5)

· выходное сопротивление

, (6.6)

где U _ВХ – напряжение на входе усилителя;

U _ВЫХ – напряжение на выходе усилителя;

I _ВХ – входной ток усилителя;

I _ВЫХ – выходной ток усилителя;

P _ВХ – входная мощность усилителя;

P _ВЫХ – выходная мощность усилителя;

U _ВЫХ(R _Н= ∞) – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода;

U _ВЫХ(R _Н) – напряжение на выходе усилителя при заданном сопротивлении нагрузки R _Н≠ ∞;

I _ВЫХ(R _Н) – выходной ток усилителя при заданном сопротивлении нагрузки R _Н≠ ∞.

В реальных усилителях указанные параметры являются комплексными величинами и зависят от частоты сигнала f.

Характеристики и параметры усилителей могут быть улучшены при введении обратной связи, под которой понимают передачу сигнала с выхода усилителя на его вход.

Обратную связь называют частотнонезависимой, если коэффициент передачи канала обратной связи не зависит от частоты.
В противном случае обратную связь называют частотнозависимой.

Обратную связь называют положительной, если сигналы источника и канала обратной связи суммируются, и отрицательной, если сигналы источника и канала обратной связи вычитаются.

В усилителях широко применяется отрицательная обратная связь по постоянному току, которая позволяет стабилизировать режим работы (рабочей точки) активных элементов усилителя.

Введение отрицательной обратной связи по переменному току влияет на параметры усилителя следующим образом:

· отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению;

· последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление, независимо от способа снятия сигнала обратной связи с выхода усилителя;

· отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, а отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, независимо от способа введения сигнала обратной связи во входную цепь усилителя.

Назначение элементов усилительного каскада на переменном токе рисунок 17. Входной сигнал U _ВХ подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С 1. Усиленный сигнал U _ВЫХ снимается с резистора R _К и через разделительный конденсатор С 2 подается в нагрузку R _Н. Конденсатор С 1 исключает влияние источника сигнала на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор С 2 исключает влияние нагрузки на режим работы транзистора по постоянному току.

Режим работы транзистора по постоянному току задается делителем напряжения в цепи базы R _Б1, R _Б2 и сопротивлением в цепи эмиттера R _Э.

Резистор R _Э служит для стабилизации режима работы транзистора. Стабилизирующее действие резистора R _Э объясняется тем, что падение напряжения на нем является напряжением отрицательной обратной связи.

Конденсатор в цепи эмиттера С _Э устраняет обратную связь по переменному току, что предотвращает снижение коэффициента усиления каскада.
Емкость конденсатора С _Э выбирают такой, чтобы его сопротивление в полосе пропускания частот усилителя было пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением резистора R _Э, поэтому переменная составляющая напряжения на сопротивлении R _Э в полосе пропускания усилителя будет практически равна нулю.

5. Порядок проведения работы:

5.1 Подготовка к работе

5.1.1 Открыть моделирующую систему EWB. Открыть сохраненную в предыдущей работе схему усилительного каскада. Дополнить ее так, чтобы получилась схема согласно рисунку 17.

Источники напряжения и символ заземления находятся в труппе " Sources ", резисторы и конденсаторы – в группе " Basic ".

Транзистор и резистор R _К включить те же, что использовались в предыдущей работе. Остальные параметры элементов схемы выбираются из таблицы 11 согласно номеру варианта.

Транзисторы находятся в библиотеке " Motorol 1 " или " National 2 ".

Табл. 11. Элементы схемы усилительного каскада.

№ Тип транзистора R _Б1 кОм R _Б2 кОм R _Э Ом C 1 μF C 2 μF C _Э μF

Q2N4400

Q2N2895 2.2

Q2N2896 9.1

ВС394 9.1

BF258

BSS71

Q2N3500

Q2N3501

Q2N4014

Q2N4400

PN2369

PN2369A 2.2

PN4274 9.1

PN4275 9.1

PN5134

PN5135

PN5136

PN5137

PN3642

PN3641

Внимание. При извлечении элементов из библиотек программа автоматически присваивает им порядковый номер.

Внимание. Конденсаторы С 1, С 2, С _Э – полярные (обозначены символом +).

Приборы М1, М3, М4 установить в режим АС – режим измерения переменного тока и напряжения.

Установить напряжение источника V 2 равным напряжению Е _К, принятому в предыдущей работе.

Установить напряжение источника сигнала V ₁ = 6 mV, частоту – 2000 Гц
(2 кГц). Это напряжение далее обозначается U _ВХ.

Вольтметр М4 измеряет напряжение на нагрузке U _H, оно же является выходным напряжением U _ВЫХ = U _H.

Включить режим моделирования. Если все собрано правильно, то на выходе усилителя вольтметр М4 покажет напряжение порядка 0.8 – 1.5 Вольта.

Рис. 17. Схема усилительного каскада

5.2 Порядок проведения работы

5.2.1 Определение параметров усилительного каскада на переменном токе с нагрузкой без обратной связи.

Определить:

– коэффициент усиления каскада по напряжению;

К _Uн = U _ВЫХн / U _ВХ, (показания М4/ V ₁) (U _ВХ = V ₁ = 6 mV).

– коэффициент усиления каскада по току;

К _I = I _ВЫХ/ I _ВХ, (показания М3/М1).

– вычислить коэффициент усиления каскада по мощности;

К _Р = К _Uн· К _I.

– входное сопротивление каскада на переменном токе;

r_ВХ = V ₁/ I _ВХ (показания V ₁/М1) [кOм].

– выходное сопротивление каскада.

Для этого удалить соединение между точкой [1] и точкой [2] т.е. отключить нагрузку от выхода усилителя, обеспечив режим холостого хода U _ВЫХхх.

Записать показания вольтметра М4.

U _ВЫХхх – U _ВЫХн

I _ВЫХ

r_ВЫХ =, (6.8)

где U _ВЫХхх – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода,

U _ВЫХн и I _ВЫХ – напряжение и ток на выходе усилителя при включенном сопротивлении нагрузки R _Н, полученные в предыдущем опыте.

Примечание r_ВЫХ ≈ R _K.

– Вычислить коэффициент усиления каскада с отключенной нагрузкой (на холостом ходу).

К _Ux = (U _ВЫХхх)/ V ₁(К _Ux > К _Uн).

Записать показания амперметра М2. Это ток, потребляемый усилителем от источника питания V2.

Подключить нагрузку к выходу усилителя, восстановив удаленную перемычку.

Вновь записать показания амперметра М2.

5.2.2 Амплитудная характеристика усилителя

Для ее получения напряжение источника V₁ уменьшить до нуля. Затем, увеличивая его через 2 mV, записывать в протокол значения выходного напряжения (M4). Напряжение увеличивать до 20 мВ.

Результаты занести в таблицу 12 строки 1 и 2.

Табл. 12. Данные для построения амплитудной характеристики усилителя.

U _ВХ(V 1) [мB] ...10...

U _ВЫХн [B] (M4)

U _ВЫХн [B] (M4)

5.2.3 Определение нижней граничной частоты ƒ_Нгр усилителя переменного тока.

Установить такое напряжение на входе U _ВХ(V 1) [mV] (таблица 12), чтобы напряжение на выходе оказалось равным 1.0 В (М4).

Уменьшая частоту входного сигнала (V 1) найти такое ее значение, при котором выходное напряжение усилителя уменьшится до 0.707 В. (Ориентировочно 100 Гц). Записать в протокол значение полученной частоты.

Установить частоту сигнала равной 2000 Гц.

5.2.4 Исследование влияния отрицательной обратной связи по току на параметры усилителя

– Отключить конденсатор С _Э от эмиттера транзистора.

Установить напряжение V 1 равным нулю.

– Увеличивая входное напряжение от 0 до 20 mV через 2 mV, заполнить строку 3 таблицы 12.

Установить V 1 = 10 mV.

Определить:

– коэффициент усиления по напряжению каскада с обратной связью
К _U_ос= U _ВЫХн/ U _ВХ(показания М4/ V ₁),

– коэффициент усиления по току К _I,

– вычислить К _Р,

– входное сопротивление каскада с обратной связью
r_ВХ = V ₁/ I _ВХ.

Отключить нагрузку (удалить соединение между точкой [1] и точкой [2]).

Определить коэффициент усиления с обратной связью без нагрузки
К _U_ос= U _ВЫХхх/ V ₁.

– Определить выходное сопротивление каскада с обратной связью (4.8).

Подключить сопротивление нагрузки.

Установить такое напряжение на входе (V 1 таблица 12), чтобы напряжение на выходе оказалось равным 1.0 В.

Уменьша я частоту входного сигнала найти такое ее значение, при котором выходное напряжение усилителя уменьшится до 0.707 В. Записать в протокол значение полученной частоты.

6. Обработка результатов измерений:

6.1 На основании данных таблицы 12 построить два графика передаточной характеристики каскада по напряжению U _ВЫХн = F(V 1) в одних координатах.

Напряжение V 1 откладывать по горизонтальной оси.

На характеристиках построить характеристические треугольники для точки V 1 = 10 мВ и определить Δ V 1 и Δ U _ВЫХ.

Вычислить
К _U_н = Δ U _ВЫХ/Δ V 1,
К _U_ос= Δ U _ВЫХ/Δ V 1 (строка 3 таблицы 12).

Сравнить вычисленные коэффициенты со значениями коэффициента усиления, полученными в пунктах 5.2.1 и 5.2.4.

6.2 Вычислить коэффициент обратной связи (читается «капа»)

= 1/ К _U_ос – 1/ К _U_н, (4.10)

где К _U_ос – коэффициент усиления по напряжению с обратной связью, (взять из пункта 5.2.4), К _U_н – коэффициент усиления по напряжению без обратной связи.

K _U_н

Коэффициент усиления каскада с обратной связью по току может быть вычислен по соотношению

(1 + К _U_н· )

К _U_ос =. (4.11)

r_ВХ

r_ВХ

K _КН

R _K

6.3 Вычислить расчетный коэффициент усиления каскада на холостом ходу К _Ux и с нагрузкой К _U_н
К _Ux = B·, К _U_н = В·, (4.12)

где R _КН – параллельное соединение сопротивлений R _К и R _Н,
R _КН = (R _К· R _Н) / (R _К + R _Н), В = h ₂₁– коэффициента передачи тока базы транзистора, определенный в работе 3.

Сравнить значение коэффициента К _Ux для переменного тока с аналогичным значением коэффициента для постоянного тока, полученным в работе 3.

6.4 Определить коэффициент полезного действия каскада КПД

Р _Н

Р _Е

КПД = 100%, (4.13)

где Р _Е, – мощность, отнимаемая от источника V 2.
Р _Е = V 2· I _E, I _E– ток, измеренный в пункте 3.2 (показания амперметра М2).
Р _H – мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку,
Р _H = U _Н· I _Н при U _ВХ = 6 mV, определенные в пункте 5.2.1.

Коэффициент полезного действия принято выражать в процентах.

Параметры каскада без обратной связи и с обратной связью поместить в таблицу 13.

Табл. 13. Параметры каскада.

К _Ux К _U_н K _I К _Р КПД r_ВХ r_ВЫХ ƒ_Нгр

Значе- ние Без ОС

С ОС x

7. Содержание отчета:

1 Цель работы.

2Схема электрическая принципиальная усилительного каскада.

3Амплитудные характеристики каскада.

4 Расчет всех параметров каскада.

5 В выводах отразить совпадение расчетных и измеренных параметров каскада.

8. Контрольные вопросы:

1.Назначение емкостей С 1, С 2, С _Э.

2. Дайте определение понятию «усилительный каскад».

3. От каких элементов схемы зависит входное сопротивление каскада.

4. Дайте определение параметру «выходное сопротивление каскада».

5. Почему коэффициент усиления каскада на холостом ходу больше, чем коэффициент усиления с нагрузкой.

6. Назначение сопротивлений R _Б1 и R _Б2.

7. Дайте определение термину «обратная связь по току». Какие типы обратной связи применяются в усилительных каскадах.

8. Как повлияло введение обратной связи на входное сопротивление каскада.

9. Что такое коэффициент обратной связи

10. Почему уменьшается коэффициент усиления каскада при уменьшении частоты усиливаемого сигнала.

Лабораторная работа 7

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы

Исследовать основные схемы включения и особенности работы операционного усилителя.

Домашнее задание

2.1 Для всех исследуемых в работе схем включения операционных усилителей приведите вид характеристик с учетом значений параметров компонент (сопротивления резисторов, заданного ОУ).

2.2 Вычислить коэффициенты передачи для трех схем включения ОУ с учетом значений сопротивлений, включаемых в цепь обратной связи соотношения (1, 2, 4).