писание лабораторной установки. сследование маломощных выпрямителей.

сследование маломощных выпрямителей.

 

Цель работы – исследование внешних характеристик маломощных выпрямителей на полупроводниковых диодах. Сравнение их параметров и возможности применения.

Продолжительность работы – 4 ч.

 

писание лабораторной установки.

 

Электрическая схема лабораторного макета для исследования маломощных выпрямителей приведена на рис.1.

Макет позволяет собрать схемы однополупериодную, мостовую, двухполупериодную со средней точкой выпрямители, работающие на различную нагрузку, а также схему удвоения напряжения.

Выпрямляемое напряжение подается на вход макета (клеммы 1-2) от звукового генератора типа Г3-33 с выходным сопротивлением 50 Ом и напряжением U_вых ≥ 10 В, имеющего среднюю точку.

Нагрузкой выпрямителей служат постоянные резисторы R_M1 и R_M2. В качестве элементов фильтра используются электролитические конденсаторы С₁ и С₂, дающие возможность получения трех значений С_ф (С_ф1 = С₂, С_ф2 = С₁ последовательно С₂ и С_ф3 = С₁ параллельно С₂). Напряжение и ток на выходе выпрямителей измеряются при помощи электронного вольтметра и амперметра постоянного тока, напряжение пульсации на нагрузке – электронным вольтметром переменного тока типа В3-38.

Осциллограммы формы напряжения и тока в различных точках схемы зарисовываются при помощи электронного осциллографа типа С1-68.

Резистор R_изм служит для осциллографирования формы тока и определения угла отсечки. Схемное включение R_изм из-за сложности подключения осциллографа выдает осциллограмму обратной полярности.

 

 

 

 

Электрические параметры схемы:

 

U_вх ≤10 В; R_М1 =1 кОм; C₁ = C₂ =2 мкФ;

f_вхг =400 Гц; R_М2 =2 кОм; VD₁ … VD₄ - D 226.

R_изм =10 Ом;

 

 

Лабораторное задание.

 

1. Исследование однополупериодной схемы выпрямителя, работающего на активную нагрузку R_M1.

1.1. Соберите однополупериодную схему выпрямителя (рис.2).

1.2. Зарисуйте с экрана осциллографа форму:

а) входного напряжения U_вх (его амплитуду U_mвх=√2U_вх);

б) напряжения на нагрузке U_o;

в) тока через диод. Определите его амплитудное значение;

г) постройте осциллограмму формы напряжения на диоде.

1.3. Измерьте величину выпрямленного напряжения U_o и тока I_o. Сравните измеренную величину выпрямленного напряжения с теоретической при R_н =∞:

 

U_теор = U_mвх / x.

 

1.4. Снимите и постройте нагрузочную характеристику выпрямителя

 

U_o=f(I_o),

 

определите внутреннее сопротивление R_i:

 

R_i=∆U_o/∆I_o.

 

2. Исследование однополупериодной схемы полупроводнико- вого выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку R_M1, С_ф1 (см. рис.2).

2.1. Повторите исследования, перечисленные для однополупериодной схемы на активную нагрузку.

2.2. Снимите и постройте зависимость угла отсечки θ от сопротивления нагрузки R_н и емкости конденсатора С_ф.

2.3. Снимите и постройте зависимость коэффициента пульсации Р_пул от емкости С_ф.

 

 

2.4. Сравните экспериментальную величину коэффициента пульсации с вычисленной по приближенной формуле:

 

 

P_пул=(3*10⁷)/(f R_н C_ф) [%],

 

где R_н – сопротивление нагрузки, Ом; С_ф – емкость фильтра, мкФ; f – основная частота пульсации, Гц.

2.5. Снимите и постройте зависимость величины пульсирующего напряжения U_п от частоты выпрямляемого напряжения в диапазоне 100 – 1000 Гц.

3. Исследование мостовой схемы полупроводникового выпрямителя (рис. 3).

3.1. соберите мостовую схему выпрямителя, работающего на активную нагрузку R_M1.

3.2. Повторите исследования, перечисленные для однополупериодной схемы. При этом следует учесть, что

 

U_отеор=(2U_mвх)/х.

 

3.3. Соберите мостовую схему выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку (R_M1, С_ф1).

3.4. Зарисуйте с экрана осциллографа форму напряжения на нагрузке при значении U_o, полученное при исследовании однополупериодной схемы.

4. Исследование двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой (рис. 4).

4.1. соберите двухполупериодную схему со средней точкой.

4.2. Повторите пп. 3.3, 3.4.

4.3. Сравните результаты с полученными при исследовании мостовой схемы.

5. Соберите схему удвоения напряжения (рис. 5).

5.1. Измерьте значения U_o и I_o при двух значениях R_н для U_вх, подаваемое в пп. 2 и 3.4.

5.2. Измеренные значения U_o и I_o сравните с результатами, полученными ранее.

 

 

 

Методические указания к выполнению задания.

 

1. У генератора Г3-33 установите выходное сопротивление 50Ом, аттенюатор на предел 10 В, выход генератора не заземлен.

1.1. Соберите однополупериодную схему выпрямителя (рис.1), перемкнув клеммы 9-11, 4-12. Миллиамперметр подключите между клеммами 19-18. Для подключения электронных вольтметров постоянного, переменного тока и осциллографа используйте клеммы 21-22, 23-24, 25-26. Выход генератора соедините с клеммами 1-2.

1.2. Установив U_вх =10В, f_г =400 Гц, произведите исследование пп. 1.2 а),…,г).

1.3. Нагрузочную характеристику снимите при двух значениях R_н.

2. Соедините клеммы 9-11, 4-12, 4-16.

2.2. Угол отсечки тока диода определяется при помощи осциллографа из соотношения

 

360^o/n=2θ/m,

 

где n – количество делений на экране осциллографа всего периода колебания; m – количество делений, определяющее время прохождения тока через диод (рис. 6):

а) С_ф = С₂, R_н = R_н1, R_н2;

б) R_н = R_н1, С_ф1 = С₁ последовательно С₂ (14-15);

С_ф2 = С₂ (14-15).

2.3. Зависимость Р_пул=f(С_ф) снимите для трех значений С_ф:

С_ф1=С₁ последовательно С₂ (14-15);

С_ф2=С₂ (14-16);

С_ф3=С₁ параллельно С₂ (15-17, 14-16).

Р_пул =(U_n / U_o)*100%, где U_n – напряжение пульсации, U_o – постоянное напряжение на выходе выпрямителя (рис. 7).

2.5. Емкость С_ф = С₂, сопротивление R_н = R_н1.

3.1. Соедините клеммы 5-7, 6-8, 9-11, 10-12, миллиамперметр 19-18.

3.3. Емкость С_ф = С₂, сопротивление R_н = R_н1. Частота генератора f_г =400 Гц.

3.4. Изменяя U_вх, добейтесь показания нужного значения Uo.

4.1. Перемкните клеммы 5-7, 9-11, среднюю точку генератора соедините с клеммой 12.

 

 

4.2. Используйте методику, рекомендуемую в предыдущих разделах.

5. Перемкните клеммы 9-11, 14-15, 6-17, 4-16.

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. ГУСЕВ В. Г., ГУСЕВ Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа, 1982.

2. ВИНОГРАДОВ Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой техники. М.: Энергия, 1972.

 

 

 

Лабораторная работа № 2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

С ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ

 

Цель работы - ознакомление с характеристиками и параметра­ми резистивно-емкостного усилителянабиполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером.

Продолжительность работы -4ч.

Аппаратура

I. милливольтметр типа ВЗ-38.

II. Осциллограф типа CI-68.

III. Генератор типа ГЗ-33.

Теоретическиесведения

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала за счет использования энергии источников питания.

Полная структурная схема усилителя представлена на рис 1.

 

Рис. 1. Полная эквивалентная схема усилителя

 

В практических схемах постоянные потенциалы источника сигнала и входа усилителя, а также выхода усилителя и нагрузки не одинаковы. В этом случае связь по сигналу осуществляют через конденсаторы связи C1 и C2, величину которых выбирают такой, чтобыих сопротивление для сигнала было мало.

Наиболее общей характеристикой усилителя является передаточ­ная функция, которая при синусоидальном входном сигнале опреде­ляется соотношением

 

Kl(jw)=Ůвых/Ėг=Kl(w)·exp(j· φ(w)),

 

где Ėг, Ůвых - комплексные амплитуды напряжений источника сигнала и на выходе нагруженного усилителя; Kl(w), φ(w) - модуль и аргумент передаточной функции - амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики усилителя (АЧХ и ФЧХ).

Реальные усилители проектируются так, чтобы в некоторой области частот, называемой средними частотами,влиянием разде­лительных конденсаторов, зависимостью Zвх, Zвых, Zн от часто­ты и инерционностью активных элементов можно было пренебречь.

Области, лежацие ниже и выше средних частот, называют соот­ветственно областями нижних я верхних частот.

Для коэффициента усиления по напряжанию в области средних частот справедливо выражение

 

Kl0=Uвых/Eг,

 

Считая Zвх= Rвх, Zвых = Rвых, Zн = Rн можно получить выражение для Kl(jw) в области нижних частот:

 

Kl(jw) = Ůвых/Ėг = Kl0/(1+1/jw Ƭ н1)·(1+1/jw Ƭ н2),

 

где Ƭ н1=(Rг+Rвх)•C1 и Ƭ н2=(Rвых+Rн)•C2 - постоянныевремени входной и выходной цепи в области нижних частот.

В теории усилителей показано, что общая постоянная времени в области нижних частот определяется как:

 

(1/ Ƭ н)=Σ1/ Ƭ нi

 

где n - количество цепей, влияющих на АЧХ и ФЧХ в областинижних частот.

В атом случае имеем

 

Klн(jw) = Kl0/ (1+1/jw Ƭ н), (1)

 

Из выражения (1) можно получить для АЧХ и ФЧХ:

 

Klн(w) = Kl0/√(1+1/w² Ƭ н²), (2)

 

В обдастя верхних частот в общем случае необходимо учитывать инерционность активного элемента, комплексный характер Zвх, Zвых, Zн, однако во многих практических случаях достаточно учесть комплексный характер Zн. При этом выражение для коэффициента усиления будет иметь вид

 

Klb(jw) = Kl0/ (1+1/jw Ƭ b),

 

где Ƭ b=(Rн || Rвых)•Cн

Отсюда для областиверхних частот имеем

 

Klb(jw) = Kl0/ √(1+w² Ƭ b²), (3)

 

φ b(w)=-arctg(w Ƭ b).

 

На рис.2 представлен возможный вид АЧХ.Здесь wн и wв-нижняя и верхняя граничные частоты. Они определяются как частоты, на которых коэффициен усиления уменьшается в заданное число раз по сравнению с усилением на средних частотах. Наиболее часто граничные частоты определяются как частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в √2 раз, то есть

 

Klн = Klв= Kl0/√2 ≈ 0.707 Kl0.

 

 

Рис.2 Амплитудно-частотная (а) и амплитудная (б) характеристики усилителя.

 

 

Из выражений (2), (3) следует

wн = 1/τн, wв = 1/τв.

 

Однойиз характеристик усилителей является амплитудная ха­рактеристика - зависимость выходного сигнала от входного:

U вых = f (eг).

Для идеального усилителя амплитудная характеристика должна быть линейной, но вследствие нелиненйности вольт-амперных характеристик активных элементов и наличие шумов возникают отклонения от линейного закона. На рис. 2,б показан возможный вид амплитудной характеристики. Количественная оценка ирзкажения сигнала вызванная нелинейностью характеристики, производится с помощью коэффициента нелинейных искаженийили коэффициента гармоник Kг*

 

Кг = √ ((P2 + P3 +…+Pn) / P1) =

 

= √ ((U²2m +U²3m +…+U²nm) / U²1m) =

 

= √ ((I²2m +I² 3m+…+I²nm) / I²1m)

 

где Pn, Inm,Unm - соответственно мощность, амплитуда токов и напряжений n-ой гармоники выходного сигнала.

В каждом конкретном случае допустима определенная величина нелинейных искажений, оцениваемая Kгдоп. Этойвеличине соответствуют максимально и минимально допустимые величины входного сигнала: Eгmax, Epmin. Отношение максимально допустимой ве­личины входного сигнала кминимально допустимой определяет динамический диапазон усилителя: D=20Lg(Eгmax/Eгmin).

На рис.3 приведена принципиальная электрическая схемарезистивно-емкостного усилительного каскада, иследуемого в данной лабораторной работе. Здесь резисторы R1, R2, Rэ образуют схему эмиттерной стабилизации рабочей точки, кондесатор Сэ предотвращает возникновение отрицательной обратной связи по переменному току.

 

Рис.3. Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ.

Рис.4. Эквивалентная схема усилителя в области средних частот.

Рис.5. Эквивалентная схема усилителя для определения Rвых.

 

Соответствующая данной принципиальной схеме усилителя эквивалентная схема в облаети средних частот приведена на рис.4. На схеме транзистор представлен в виде Т-образной эквивалентной схемы. В этом случае для входного сопротивления, определяемого как Rвх = rвх/ Rб, можно получить (rвх = Uвх /Iб)

 

rвх = rб + rо·(1+β) ≈ β·rэ (4)

 

Rвх ≈ β·rэ || Rб

 

Для коэффициентата усиления по напряжению в области средних частот при rкэ >> Rкн получим Rкн = Rк || Rн

 

Klo = Uвых / Eг = β · Iб · Rкн / Iвх (Rг + Rвх) =

 

= β · Iб · v / (Iб (1 + rвх/Rб) (Rг + Rвх)) = (5)

 

 

= β · Rкн / ((1 + rвх/Rб) (Rг + Rвх))

 

 

Выходное сопротивление, как следует из рис.4, должно зависетьот величины rкэ. Поэтому найдем значение rвых обычным путем, задавая некоторый ток Iвых при отключенной нагрузке Rн и ег = 0. Эквивалентная схема, соответствующая этому случаю, приведена на рио.5. Выходное напряжение Uвых, обусловленное током Iвых, будет равно

 

Uвых = (Iвых + β) · rкэ + Iб · (rб + Rб || Rг). (6)

 

В свою очредь ток базы Iб будет определяться выражением

 

Iб = Iвых· (rэ / (rэ + rб + Rб || Rг)). (7)

 

 

Подставляя (7) в (6), после некоторых преобразований получим

 

Rвых = Uвых / Iвых = rкэ · (1+ β·γэ) + rэ || (rб + Rб || Rг) ≈

≈ rкэ ·(1+ β·γэ) (8)

 

где

γэ = rэ / (rэ + rб + Rб || Rг).

 

Общее выходное сопротивление с учетом сопротивления в цепи коллектора Rк имеет вид

 

Rвых = r вых || Rк.

 

Описание лабораторной установки.

 

 

Схема лабораторного макета приведена на рис.6. С помощью расположееных на макете гнезд, набора перемычек и проводников с однополюсными вилками осуществляется вся необходимая коммутация. В каскаде применено включение транзистора с эммитерной стабилизацией рабочей точхн.

 

 

Рис.6. Схема макета.

 

Предусмотрена возможность изменения следующих параметров схемы: внутреннего сопротивления генератора входного сигнала Rг, емкости связя с нагрузкой C2 и величины нагрузки Rн, а также регулировки напряжения питания Eп цепи коллектора.

Питающее напряжение поступает намакет черезразъемот стабилизатора, расположенного в стенде на рабочем столе.

Комплект приборов к работе состоитиз звукового генератора,лампового милливольтметра переменногонапряжения, осцилографа.

 

Лабораторноезадание

 

I. Снять амплитудную характеристику каскада Uвых = f (eг) (eг < 0.1 В, f = 1000 Гц) при Rн = 1 кОм, Rг = 1 кОм, С помощью осциллографа, подключенного к выходу каскада, визуально отметить границу начала искажения сигнала, изменяя eг от нуля. При помощи милливольтметра измерить максимальную величину сигнала на входе Uвхmax, соответствующую началу искажения формы сигнала.

2. Определить коэффициент усиления на средних частотах

K = Uвых / Eг (f = 1000 ГЦ, Uвх < Uвхmax, Rг = 1 кОм,Rн = I кОм). Сравнить с расчетом.

Увеличить сопротивление нагрузки, приняв Rн = 10 кОм. Измерить K. Сделать выводы.

3. Определить входное сопротивление каскада Rвх,для чего произвести измерение напряжений Eг и Uвх с помощью милливольт­метра (f ≤ 1000 ГЦ, Uвх < Uвхmax, Rг = 1 кОм,Rн = I кОм). Найти входное сопротивление по формуле

 

Rвх = Rг / (Eг / Uвых - 1).

 

Сравнить с расчетом.

4. Исследовать влияние постоянной времени цепи связи на час­тотную характеристику каскада Uвых = φ(f) в области нижних час­тот (f ≤ 1000 ГЦ, Uвх = const ≤ Uвхmax):

а) снять зависимоcть Uвых = φ(f) (Rг = 1 кОм, Rн = I кОм, C2 = 0,26 мкФ) (cм, ниже методические указания к работе). Опре­делить нижнюю граничную частоту каскада fн, как частоту, на которой выходное напряжение уменьшается в √2 paз,т.е. пример­но до уровня 0.707 Uвых (1000 Гц);

б) включить конденсатор C2 емкостью I мкФ. Вновь измерить выходное напряжение на частоте 1000 Гц. Отметить практическое отсутствие влияния емкости конденсатора C2,на усиление сигнала в области средних частот. Найти новое значение нижней граничной частоты;

в) изменить величину резистора нагрузки Rн = I кОм. Повторить измерения по предыдущему пункту. Сделать выводы о влиянии на fн велячин элементов связи.

5. Исследовать влияние элементов каскада в областиверхнихчастот (f > 1000 Гц);

а) снять зависимость Uвых = φ(f) (Rг = 1 кОм, Rн = 1 кОм, C2 = 1 мкФ). Определить верхнюю граничную частоту fв ( на уров­не 0,707);

б) исследовать влияние Rг в области верхних частот. Включить Rг = 10 кОм. Найти fв;

в) исследовать влияние Rн.Включить Rн = 10 кОм. Найти fв;

г) исследовать влияние емкости нагрузки. Включить Cн = 0,01 мкФ. Найти fв;

д) убедиться, что в области верхних частот конденсаторы связи практически не оказывают влияния на коэффициент усиления каскада, для чего, переключая конденсаторы C2, записать показания вольтметра на выходе каскада.

6. Представить снятые в пп. 4а, 5а зависимости в видееди­ного графика. Масштаб по оси частоты взять логарифмическим.

 

Методические указания к работе

 

При снятии характеристик переключатель внутреннего сопротив­ления звукового генератора находится в положении "600 Ом" или "АТТ". Внутренняя нагрузка должна быть включена. При измерениях частотных характеристик каскада, особенно на верхних частотах, входной кабель осциллографа отключается от выходных гнезд маке­та, в противном случае результаты будут искажены влиянием значи­тельной емкости кабеля и осциллографа. Частотные характеристике снимают по 6 - 10 отсчетам в пределах изменения частоты генера­тора, пока выходное напряжение каскада не уменьшится в 2 - 3 ра­за, Рекомендуемые значения частоты: 20; 30; 50; 100х10ⁿ Гц удобны для построения логарифмического масштаба по оси f.

 

Отчет о работе

 

Отчет должен содержать:

I) принципиальную схему макета;

2) результаты эксперимента, представленные в виде таблиц и графиков.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие существуют виды межкаскадных связей?

2. Нарисуйте амплитудную характеристику реального усилительного каскада.

3. Какие причины вызывают нестабильность рабочей точкитранзисторного каскада?

4. Чем отличаются режимы работы классов усиления А, B,AB?

5. Как зависит коэффициент усиления каскада от величины нагрузки? От величины рабочего тока каскада?

6. Начертите принципиальнуюсхему транзисторного каскада ре- зистивно-емкостной связи.

7. Начертите эквивалентную схему RC-каскада на транзисторе.

8. Какие элементы схемы и параметры транзистора определяют частотную характеристику каскадана низких и на верхних частотах?

9. Как влияет изменение внутреннего сопротивления генерато­ра сигнала на частотную характеристику входного каскада усилителя.

10. Как определить нижнюю и верхнюю граничные частоты усилителя.

 

 

Лабораторная работа № 3

Исследование неинвертирующего и инвертирующего усилителей

Цель работы: изучение основных параметров и характеристик не инвертирующего и инвертирующего усилителей напряжения на базе операционного усилителя.

Аппаратура

1. Универсальный лабораторный стенд.

2. Генератор звуковых и ультразвуковых частот ГЗ-33 или ГЗ-109.

3. Ламповый милливольтметр переменного напряжения ВЗ-38.

4. Прибор комбинированный цифровой Щ-4300.

5. Осциллограф СI-96 или СI-76.

Теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) обычно используют с внешней, отрицательной обратной связью (ООС). Частным случаем ООС являетcя резистивная обратная связь (ОС). В зависимости от способа подачи ОС на вход ОУ различают не инвертирующий усилитель (НУ), в котором полярность входного и выходного сигналов одного знака, и инвертирующий усилитель (ИУ), в котором полярность входного и выходного сигналов разных знаков.

Чтобы упростить анализ схем на операционных усилителях, вводят понятие идеального ОУ, обладающего следующими основными свойствами: коэффициент усиления К и входное сопротивление R_вх бесконечно большие; выходное сопротивление R_вых, напряжение смещения нуля U_см и входные токи I_вх равны нулю; частота единичного усиления f₁ и скорость нарастания выходного напряжения V_max бесконечно большие.

Такая идеализация позволяет вывести два правила, которые удобно использовать для анализа схем на ОУ.

1. На входы ОУ ток от источника сигнала не ответвляется, т.к. R _вх=∞.

2. Напряжение между входами ОУ равно нулю, т.к. К=∞.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя показана на рис.1

 

R2

 

R1

 

 

Вход Выход

 

 

Рис.1. Принципиальная схема не инвертирующего усилителя.

Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ, а часть выходного сигнала через делитель из резисторов R₁ и R₂ подается на инвертирующий вход, за счет чего реализуется последовательная ООС по напряжению.

В случае идеального ОУ, согласно правилам 1 и 2, входной ток ОУ и напряжение между его входами равны нулю, поэтому напряжение на инвертирующем входе U равно входном, то есть U=U_вх. C другой стороны, U=U_вых*R₁/(R₁+R₂) как в обычном резистивном делителе, откуда получаем выражение для коэффициента усиления не инвертирующего усилителя К_{ос. ид} в виде

К_ос.ид=U_вых/U_вх=1+R₂/R₁ (1)

Таким образом, коэффициент усиления не инвертирующего усилителя, при идеальном ОУ, зависит только от отношения резисторов R₁ и R₂.

Влияние К, R_вх и R_вых реального ОУ на коэффициент усиления неиневетирующего усилителя определяется соотношением

К_ос=К _{ос. ид} *1/1+(1+R₂/R₁+R₂/R_вх)/К_н, (2)

Где К-коэффициент усиления нагруженного ОУ.

Так как в схеме на рис. 1 ОУ нагружен резисторами R₁ и R₂, соединенными последовательно, а внешняя нагрузка отсутствует, то

К_н=К*(R₁+R₂)/(R_вых+R₁+R₂) (3)

Из формулы (2) следует, что коэффициент усиления не инвертирующего усилителя при реальном ОУ несколько меньше, чем в случае идеального ОУ.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R_вх.ос как усилителя с последовательной ООС велико, поэтому неинвертирующий усилитель можно использовать при работе от высокоомных источников сигнала. Величина R_вх.ос определяется формулой

R_вх.ос=R_вх * К_н /К_ос ≈R_вх*(К/1+R₂/R₁ ) (4)

Следует иметь ввиду, что на практике величина R_{вх. ос} получается меньше расчетной из-за влияния входного сопротивления ОУ синфазному сигналу и сопротивления утечки.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя как усилителя с ООС по напряжению мало и определяется выражением

R_вых.ос=R_вых*(1+R₂/R₁)/К (5)

В инвертирующем усилителе фаза (полярность) выходного сигнала противоположна фазе (полярности) входного сигнала. Он обладает меньшим, чем неинвертирующий усилитель, входным сопротивлением.

Принципиальная схема инвертирующего усилителя показана на рис. 2. В нем входной сигнал через резистор R₁ поступает на инвертирующий вход ОУ, а за счет резисторов R₁ и R₂ реализуется параллельная ООС по напряжению.

 

R2

 

⊲   DA

R1

 

Вход Выход

 

Рис. 2. Принципиальная схема инвертирующего усилителя.

 

Для случая идеального ОУ согласно сформулированному выше правилу 2 потенциал инвертирующего входа равен нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе R₁ равно U_вх,а на резисторе R₂-U_вых, т. е. U_R1=U_вх и U_R2=U_вых.Воспользовавшись теперь правилом 1, получим U_вых/R₂=-U_вх/R₁, откуда коэффициент усиления равен

К_{ос. ид}=-R₂/R₁ (6)

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя является отрицательным и при идеальном ОУ равен отношению резисторов в цепи ОС.

В случае реального ОУ коэффициент усиления инвертирующего усилителя несколько уменьшается по абсолютному значению:

К_ос=-R₂/R₁*(1/1+(1+R₂/R₁+R₂/R₁+R₂/R_вх)/K_н, (7)

где

К_ос=К*R₂/R_вых+R₂. (8)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется резистором R₁, а именно:

R_{вх. ос}≈R₁ (9)

Это объясняется тем, что потенциал инвертирующего входа реального ОУ близок к нулю вследствие высокого значения К.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя определяется, как и в неинвертирующем усилителе, формулой (5), поскольку при нулевом входном сигнале (короткозамкнутом входе) схемы рис. 1 и рис.2 становятся идентичными.

Напряжение смещения и входные токи реального ОУ при отсутствии входного сигнала вызывают появление на входе рассматриваемых усилителей постоянного напряжения U_{ош. вых},

U_{ош. вых}=U_см(1+R₂/R₁)-I_вх*R₂. (10)

Это может привести к заметному снижению точности передачи постоянных составляющих при усилении сигналов постоянного тока.

 

 

R2

 

 

⊲   DA

R1

 

Вход Выход

R3

 

 

Рис.3. Схема ИУ с компенсирующим резистором.

Для компенсации таковой составляющей напряжения U_{ош. вых} последовательно с неинвертирующим входом ОУ включают дополнительный резистор R₃ (рис. 3), определяемый равенством

R₃=R₁*R₂/R₁+R₂. (11)

При наличии резистора R₃ выражение для U_ош.вых принимает вид

U_{ош. вых}=U_см(1+R₂/R₁)+∆I_вх*R₂ (12)

Где ∆I_вх- разность входных токов ОУ

Компенсация составляющей U_{ош. вых} за счет напряжения смещения нуля ОУ производится начальной балансировкой. Ее можно осуществить путем подачи на один из входов ОУ дополнительного напряжения, регулируемого в пределах ±(10-50)мВ.

Частотный диапазон работы усилителя при малых сигналах определяется верхней граничной частотой согласно соотношению

f_в=f_т/К_ос.ид (13)

За пределами верхней граничной частоты АЧХ усилителя имеет спад 20 дБ на декаду.

Для расширения частотного диапазона можно использовать многокаскадный усилитель с более глубокой ООС в каждом каскаде (меньшем усилении). Например, верхняя граничная частота усилителя с коэффициентом усиления К_ос, состоящего из двух каскадов с одинаковыми коэффициентами усиления К₁=К₂=(К_ос)^½, равна

f_в=((2)^½-1/К_ос)^½*f₁ (14)

Спад АЧХ двухкаскадного усилителя за пределами верхней граничной частоты составляет 40 дБ на декаду.

Скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_max налагает ограничения на величину максимальной амплитуды гармонического сигнала U_{m вых. max}, которую усилитель может давать без искажения на заданной частоте, а именно:

U_{m вых. max}=V_max/2π*f (15)

При уменьшении требуемой от усилителя амплитуды выходного напряжения верхний частотный предел, налагаемый скоростью нарастания ОУ, увеличивается. Для малых амплитуд выходного сигнала диапазон рабочих частот ограничен верхней граничной частотой усилителя.

Искажения импульсного сигнала прямоугольной формы, вносимые усилителем, зависят от его амплитуды. Для малых сигналов при оценке времени нарастания (спада) фронта импульса можно пользоваться следующим соотношением:

t_ф»0,35/f_в (16)

Эти искажения можно уменьшить, расширив малосигнальную полоску пропускания усилителя.

Для больших сигналов искажения определяются скоростью нарастания выходного напряжения ОУ и не зависят от глубины ООС в усилителе.

Лабораторное задание

1.Рассчитать следующие парамеры неинвертирующго и инвертирующего усилителей, представленных на рис. 4:

a) К_{ос. ид}, К_ос, R_вх.ос, R_вых.ос и f_в неинвертирующего усилителя, используя формулы (1)-(5) и (13);

b) К_ос.ид, К_ос, R_вх.ос, R_вых.ос инвертирующего усилителя для резисторов R₃ и R₅ в цепи ООС по формулам (6)-(9) и (5); при этом R₁ соответствует R₃ на рис. 4, а R₂ соответствует R₅;

c) диапазон возможных значений выходного напряжения U_ош.вых для резисторов R₃ и R₄ в цепи ООС при наличии и отсутствии резистора R₈ по формулам (10) и (12);

d) f_в инвертирующего усилителя для резисторов R₄ и R₅ в цепи ООС по формуле (13);

e) U_{m вых. max} на частотах 100 Гц по формуле (15);

f) t_ф для инвертирующего усилителя при резисторах R₃ и R₅ в цепи ООС по формуле (16);

g) f_в двухкаскадного усилителя при значениях К₁=10, К₂=10 (К_ос=100) по формуле (14).

2.Определить коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления неинвертирующего усилителя в области средних частот.

3.Снять АЧХ неинвертирующего усилителя.

4.Определить коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя в области средних частот.

5.Произвести балансировку схемы инвертирующего усилителя и определить коэффициент усиления постоянного напряжения.

6.Снять АЧХ инвертирующего усилителя.

7.Снять мощностную полосу пропускания инвертирующего усилителя.

8.Исследовать искажение импульсного сигнала прямоугольной формы при малом и большом уровнях.

9.Снять АЧХ двухкаскадного усилителя.

Методика выполнения работы

Номинальные значения элементов схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей:R₁=10 кОм; R₂=90 кОм;R₃=10 кОм; R₄=1мОм; R₅=100кОм; R₆=1мОм; R₈=9 кОм; R_г1=10 кОм; R_г2=10 кОм; R_н=1 кОм (панель № 6). Типовые параметры ОУ следующие: К=10*10³; R_вх=5 МОм; R_вых=1 кОм; U_см=±5 мВ; I_вх=50 нА; ∆I_вх=±15 нА; f_т=300 кГц; V_max=0.1 В/мкс.

1.Собрать схему неинвертирующего усилителя согласно рис. 4, для чего с помощью перемычек подключить ко входу и выходу ОУ ДАЗ на панели № 3 резисторы R₁ и R₂ панели №6. Установить в звуковом генераторе ГЗ-33 переключатель внутреннего сопротивления в положение “АТТ ” при включенной внутренней нагрузке. Подать с выхода генератора на “Вх.1” усилителя сигнал с параметрами f= 1000 Гц; U_вх= 100 мВ. С помощью осциллографа убедиться в работоспособности усилителя (отсутствие визуально заметных искажений сигнала на выходе, наличие усиления).

Для определения коэффициента усиления измерить милливольтметром ВЗ-38 напряжения на входе и выходе усилителя и вычислить К_ос=U_вых\U_вх. Сравнить с расчетом.

Для оценки входного сопротивления подать сигнал с генератора на вход усилителя через генератор R_r1 и убедиться в том, что выходное напряжение усилителя практически не изменилось. Объяснить полученный результат.

Подключить генератор к входу усилителя.

Для оценки входного сопротивления усилителя подключить перемычкой резистор R_н к выходу усилителя и измерить выходное напряжение. Убедиться в том, что подключение R_н практически не изменяет выходное напряжение. Объяснить полученный результат. Отключить резистор R_н от выхода усилителя.

2.Для снятия АЧХ не инвертирующего усилителя в логарифмическом масштабе установить частоту генератора ГЗ-33 Гц, а выходное напряжение усилителя- равным 0,775 В. (В вольтметре ВЗ-38 имеется логарифмическая шкала для измерения напряжений, при этом значению 0,775 В соответствует 0 дБ по нижней шкале.) Убедитесь в том, что при этом значение К_ос в децибелах примерно равно 20 дБ.

Произвести измерение выходного напряжения в децибелах на частотах 100 Гц; 330 Гц; 1000 Гц; 3,3 кГц; 10кГц; 33 кГц, 100 и 200 кГц. Определить коэффицент усиления усилителя в децибелах на каждой из указанных частот по формуле

К_ос=20+U_вых

Здесь U_вых отсчитывается в децибелах по шкале вольтметра.

Результаты измерений записать в форму таблицы. Построить АЧХ усилителя в логарифмическом масштабе и определить значение f_в. Сравнить с расчетом.

3.Собрать схему инвертирующего усилителя, для чего с помощью перемычек подключить входы и выходы ОУ ДАЧ с панели №3 согласно рис. 4, замкнуть перемычкой резистор R₈, к выходу 2 усилителя подключить перемычкой резистор R₅.Подать с выхода генератора ГЗ-33 сигнал с параметрами f=1000 Гц, U_вх=100 мВ.

Подсоединить к выходу 2 усилителя осциллограф и убедиться в работоспособности усилителя.

Определить коэффициент усиления К_ос и оценить выходное сопротивление инвертирующего усилителя, пользуясь методикой п. 2.

Для определения входного сопротивления подать сигнал с генератора на вход усилителя через резистор R_r2 и измерить выходное напряжение усилителя U^′_вых. Найти входное сопротивление усилителя по формуле

R_вх.ос=R_r2*U^′_вых /U_вых-U^′_вых.

Сравнить с расчетом.

4.Отключить выход генератора ГЗ-33 от входа 2 усилителя. Вход 2 замкнуть на общую точку. Измерить цифровым вольтметром постоянное напряжение U_ош.вых на выходе 2 усилителя. Сравнить с расчетом (R_ос=R₄).

Включить в схему компенсирующий резистор R₈, для чего убрать перемычку, замыкающую его. Измерить новое значение U_ош.вых, сравнить с расчетом.

Дополнить схему устройством начальной балансировки, для чего соединить вывод от движка потенциометра R₆ с резистором R₇, а два других вывода потенциометра подключить к источникам +U₁ и –U₂ на панели № 3. Вращая ручку потенциометра R₆, установить нулевое значение U_ош.вых. Определить коэффициент усиления постоянного напряжения, для чего со входа 2 убрать перемычку согласно рис. 4 и соединить его с R₁ на панели № 6, а R₂ с выходом источника напряжения 0-+15 В. Вращая ручку потенциометра источника, установить на входе 2 усилителя с помощью цифрового вольтметра постоянное напряжение U_вх=100 мВ, после чего измерить постоянное напряжение на выходе усилителя. Найти коэффициент усиления постоянного напряжения по формуле К_ос=U_вых./U_вх, сравнить с расчетом. Убрать перемычку со входа 2 и замкнуть резистор R₈.

5.К клеммам “Вых. 2” инвертирующего усилителя подключить милливольтметр переменного напряжения ВЗ-38. Подать на вход 2 усилителя от генератора ГЗ-33 сигнал на частоте 33 Гц и установить в нем амплитуду, при которой выходное напряжение усилителя равно 0,775 В. Убедиться, что при этом К_ос=20 дБ.

Произвести измерение выходного напряжения в децибелах на частотах 100 Гц; 330 Гц; 1 кГц; 3,3 кГц; 10 кГц; 33 кГц; 100 кГц и 200 кГц. Определить коэффициент передачи усилителя [дБ] на каждой частоте по формуле

К_ос»20+U_вых,

Где U_вых дано в децибелах.

Результаты измерений записать в форму таблицы.

Построить АЧХ усилителя в логарифмическом масштабе и определить значение f_в. Сравнить с расчетом.

 

 

Данные для построения АЧХ

 

 

Типы усилителей	Параметры	F, кГц
0,033	0,1	0,33	1,0	3,3
Неинвертирующий	Кос=20 дБ N=1	Uвых
К
Инвертирующий	Кос=20 дБ N=1	Uвых
К
Кос=40 дБ N=1	Uвых
К
Двухкаскадный	Кос=40 дБ	Uвых
К

 

 

Примечание: U_вых и К измеряются в децибелах.

6.Отключить от выхода усилителя резистор R₅ и подключить резистор R₄. На частоте 33 Гц вновь установить выходное напряжение 0,775 В и убедиться, что при этом К_ос=40 дБ. Провести измерение выходного напряжения в децибелах на частотах 100 Гц; 330 Гц; 1 кГц; 3,3 кГц; 10 кГц; 33 кГц; 100 кГц и 200 кГц. Определить коэффициент передачи усилителя [дБ] на каждой частоте по формуле

К_ос=40+U_вых,

Где U_вых дано в децибелах.

Результаты измерений поместить в форму таблицы.Построить АЧХ усилителя и определить значение f_в. Сравнить с расчетом.

7.Измерить с помощью осцилогрфа максимальное амплитудное значение выходного сигнала на частотах 100 Гц и 10 кГц. Построить зависимость U_{m вых.max} =φ(f) в полулогарифмическом масштабе (линеином по оси напряжений и логарифмическом по оси частот). Отключить выход генератора ГЗ-33 от входа усилителя и вместо резистора R₄ подключить резистор R_5.

8.Подключить к входу усилителя выход генератора ГЗ-106 или стендового импульсного генератора. Подать на вход прямоугольный импульс амплитудой 100 мВ и длительностью 1 мс. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напяжения, измерить время нарастания фронта импульса до 1,5 В, зарисовать осциллограмму выходного напряжения, измерить t_ф. Объяснить полученный результат.

9.Собрать схему двухкаскадного усилителя согласно рис. 4, для чего соединить выход 1 со входом 2. В инвертирующем усилителе в цепи ООС использовать резистор R₅. Подать на вход 1 сигнал от генератора ГЗ-33 с параметрами f=33 Гц; U_вх=10 мВ. Снять и построить АЧХ двухкаскадного усилителя согласно методике п. 3

Определить f_в, сравнить с расчетом и с f_в для однокаскадного усилителя с К_ос=40 дБ.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) точное название цель работы;

2) принципиальные схемы исследуемых усилителей (рис. 4);

3) результаты расчетного задания;

4) названия пунктов лабораторного задания и результаты измерений;

5) заполненную форму таблицы;

6) три АЧХ, построенные в логарифмическом масштабе и совмещенные на одном графике;

7) график мощностей полосы пропускания в полулогарифмическом масштабе;

8) временные диаграммы импульсного сигнала на входе и выходе усилителя;

9) краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Какими свойствами обладает идеальный ОУ? Сформулируйте 1-у и 2-е правила для идеального ОУ.

2. Перечислите основные свойства неинвертирующего усилителя.

3. Какими свойствами обладает инвертирующий усилитель?

4. Проведите сравнительный анализ свойств неинвертирующего и инвертирующего усилителей.

5. Какие факторы снижают точность передачи постоянных составляющих сигнала в неинвертирующем и инвертирующем усилителях? Как ее повысить?

6. От чего зависит частотный диапазон работы неинвертирующего и инвертирующего усилителей? Как его расширить?

7. Что такое мощностная полоса пропускания усилителя?

8. Каковы особенности усиления импульсного сигнала инвертирующим (неинвертирующим) усилителем?

Рекомендуемая литература

Проектирование усилительных устройств/Под ред. Н. В. Терпугова. М.: Высшая школа. 1982. 190 с.

ТИТЦЕ У. ШЕНК К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982. 512 с.

 

R_r2

Инвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель R3 R4

Вход2

R5

R1 R2

	3Г

 

⊲   DA3

R7

R_r1

+U_оп

R6 R8 R_н

Вход1 Выход1 Выход2

 

Рис. 4 Схемы исследуемых усилителей.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ПОЛОСОВЫХ, РЕЖЕКТОРНЫХ И ФАЗОВЫХ ФИЛЬТРОВ.

Цель работы: изучение основных характеристик и схем, реализующих передаточные характеристики полосовых, режекторных и фазовых фильтров.

 

Продолжительность работы - 4 ч.

 

Аппаратура:

1) звуковой генератор ГЗ-33;

2) электронный вольтметр ВЗ-38 или цифровой вольтметр типа Щ4300;

3) осциллограф CI-68;

4) генератор прямоугольных импульсов (ГИ) и фазометр (j) - в составе универсального лабораторного стенда.

 

Теоретические сведения

 

Электрический фильтр - частотноизбирательное устройство, пропускающее сигнал в определенном диапазоне и задерживающее (ослабляющее) сигналы с частотами вне заданного диапазона.

В зависимости от выделяемого (пропускаемого) диапазона частот различают 4 основных типа фильтров:

- фильтр нижних частот ФНЧ;

- фильтр верхних частот ФВЧ;

- полосовой фильтр ПФ;

- режекторный фильтр РФ.

В таблице представлены диапазоны частот, выделяемые каждым фильтром. В данной таблице w_в и w_н - верхняя и нижняя граничные частоты. На рис.1,а показан линейчатый спектр входного сигнала, а на рис. 1,б - д - спектры сигналов на выходе ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ.

 

Тип фильтра	Выделяемый диапазон	Ослабляемые частоты
	частот	частоты
ФНЧ	0-wв	wв -¥
ФВЧ	wн -¥	0- wн
ПФ	wв -wн	0- wн, wв-¥
РФ	0-wв и wн-¥	wв-wн

 

Рис.1. Спектры сигналов: а - на входе фильтров; б - на выходе ФНЧ: в - ФВЧ;

г - ПФ; д - РФ.

Кроме перечисленных типов, представляет практический интерес фазовый фильтр (ФФ)- в заданном диапазоне частот коэффициент передачи ФФ остается постоянным, изменяется сдвиг фазы между входным и выходным сигналами.

Свойства фильтра полностью описываются передаточной характеристикой (функцией), определяемой соотношением:

 

где - комплексная частота; U_вх (р), U_вых (р) - изображения сигналов на входе и выходе фильтра. При синусоидальной входном сигнале и передаточная характеристика может бить записана в виде

Здесь k(w), j(w) - амплитудно - и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) фильтра.

В общем случае передаточная характеристика ФНЧ может быть представлена отношением двух полиномов, в частном случае так называемых полиномиальных фильтров числитель представляет постоянное число:

Степень полинома знаменателя n определяет порядок фильтра.

Одним из параметров АЧХ ФНЧ является верхняя граничная частота (w_в) - на этой частота коэффициент передачи фильтра уменьшается по сравн