ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ”

Кафедра моделирования вычислительных и электронных систем

ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Санкт-Петербург

2010

2

Составители: Григорьева Н.Н., Жаринов И.О., Жаринов О.О., Исаков В.И., Калюжный В.П., Кулин А.Н.

Рецензент: канд. техн. наук, нач. отдела ЗАО “Транзас” Дрягин Д.М. Методические указания предназначены для студентов дневной формы

обучения, изучающих дисциплины "Основы электроники", "Электротехника и электроника".

Методические указания содержат описания лабораторных работ по теме "Линейные электронные устройства".

Подготовлены к публикации кафедрой моделирования вычислительных и

электронных систем ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения".

ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет

аэрокосмического приборостроения, 2010

3

СОДЕРЖАНИЕ

стр. Краткие сведения о линейных электронных устройствах и методах их исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Лабораторная работа №1 (макет №18). Исследование электронных устройств, построенных на основе прецизионного операционного усилителя К140УД1408 . . . . . . . . . . . . .

8

Лабораторная работа №2 (макет №11). Исследование избирательного усилителя низкой частоты . . . . . . . . . .

19 Лабораторная работа №3 (макет №10). Исследование усилителя, построенного на основе микросхемы К118УН1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29 Лабораторная работа №4 (макет №21). Исследование бестрансформаторного усилителя мощности на микросхеме K174УН4Б . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36 Лабораторная работа №5 (макет №5). Исследование транзисторных усилителей мощности с трансформаторным выходом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 Лабораторная работа №6 (макет №7). Исследование компенсационного стабилизатора напряжения . . . . . . .

57 Приложение. Формы протоколов измерений к лабораторным работам . . . . . . . . . . .

69

4

Рис. 1. Нелинейные искажения типа

“ограничение”.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ И МЕТОДАХ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основным свойством линейных электронных устройств, которое отличает

их от всех остальных, является выполнение принципа суперпозиции:

{ }.ULULN

1kkBX

N

1kkBX ∑∑

===

Иными словами, реакция устройства на сумму

нескольких входных воздействий будет равна сумме реакций устройства на каждое из этих входных воздействий, поданных на него по отдельности. Из этого принципа, в частности, следует, что зависимость какого-либо параметра выходного сигнала (напряжения или тока) линейного устройства от входного воздействия на это устройство должна быть линейной во всем диапазоне возможных входных воздействий.

Значительную долю линейных устройств составляют усилительные устройства, предназначенные для увеличения мощности сигнала, подаваемого на их вход при сохранении формы сигнала. Для подобных устройств линейной должна быть зависимость амплитуды выходного гармонического напряжения от амплитуды входного гармонического напряжения: UmВЫХ=KU⋅UmВХ, где константа KU является основным параметром усилителя и называется коэффициентом усиления напряжения. Среди других типов линейных устройств можно отметить частотно-избирательные усилители, к которым, помимо усилительной способности, предъявляются специальные требования по частотной селекции сигналов: с тем, чтобы на одних частотах KU был бы больше, а на других значительно меньше.

Идеальных линейных устройств не существует: диапазон напряжений, в которых хотя бы приблизительно справедливо равенство UmВЫХ=KU⋅UmВХ для любого усилителя ограничен теми или иными факторами. Среди прочих можно отметить два наиболее значимых. Во-первых, всегда существуют некоторые предельные значения выходного напряжения Umax и Umin (обычно Umin=−Umax), которое электронное устройство вообще способно сформировать на своем выходе. Когда предельное значение достигнуто, дальнейшее увеличение Um ВХ уже не будет приводить к росту Um ВЫХ. Этим объясняется появление искажений формы выходного сигнала (искажения, известные как “ограничение”, проявляю-щиеся на гармоническом сигнале так, как показано на рис. 1) при чрезмерном увеличении амплитуды входного сигнала. Во-вторых, вольт-амперные характеристики активных электронных компонентов, из которых построено электронное устройство, никогда не бывают идеально линейными.

Определение условий, при которых устройство можно считать линейным, актуально во многих практических приложениях.

5

Степень линейности устройства оценивается по его амплитудной характеристике: под ней понимается зависимость амплитуды выходного напряжения Um ВЫХ от амплитуды входного Um ВХ при постоянном значении частоты входного гармонического сигнала. Границы линейного участка амплитудной характеристики определяют т. н. динамический диапазон входных и выходных сигналов устройства. Типичная форма графика амплитудной характеристики приведена на рис. 2; в данном случае предельное значение Um ВЫХ составляет примерно 5.3 В (здесь показан случай т. н. “мягкого” ограничения).

Рис. 2. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя,

график построен в логарифмическом масштабе.

При исследовании линейного устройства пристального внимания заслуживают его частотные характеристики: в общем случае устройство по-разному реагирует на входные гармонические сигналы с разными частотами. При этом к усилительным устройствам предъявляется требование, чтобы коэффициент усиления не зависел от частоты в как можно более широком диапазоне частот (как минимум в области возможных частот входного сигнала), а, например, частотно-избирательные устройства (называемые также активными фильтрами) должны обладать частотными характеристиками заданного вида.

В общем случае для описания частотных свойств линейных устройств применяется комплексная частотная характеристика W(jω), которая определяется как отношение комплексного спектра∗ выходного сигнала к спектру входного сигнала: W(jω)=SВЫХ(jω)/SВХ(jω). ∗ комплексный спектр S(jω) любого сигнала x(t) математически определяется преобразованием Фурье:

( ) ( )∫∞

∞−

ω−⋅=ω dttj

etxjS ; при необходимости получения сигнала x(t) по известному комплексному спектру S(jω)

используют обратное преобразование Фурье: ( ) ( )∫∞

∞−ωω⋅ω

π= d

tjejS

2

1tx .

6

Для усилителя зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала при известной функции W(jω) можно оценить по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) A(ω), которая однозначно связана с частотной передаточной характеристикой выражением вида A(ω)=|W(jω)|.

Экспериментальное исследование АЧХ предполагает проведение ряда измерений, когда в схему последовательно подаются гармонические сигналы с одной и той же амплитудой, но с разными частотами и регистрируется амплитуда выходного напряжения. Для удобства построения графика по числовым данным, изменяющимся в широких пределах, часто применяется логарифмический масштаб. Кроме того, при построении АЧХ принято оперировать её значениями, выраженными в децибелах AdB(ω), с использованием формулы пересчета AdB(ω)=20⋅Lg(A(ω)).

Типичный вид графика АЧХ усилительного устройства показан на рис. 3; из него можно определить граничные значения полосы рабочих частот по уровню минус 3дБ от максимума. Полезно проанализировать график и убедиться, что в данном случае полоса рабочих частот ограничена значениями 20 Гц и 30 кГц.

Рис. 3. Типичная АЧХ усилителя звуковых сигналов (график построен в полулогарифмическом масштабе: по оси ординат масштаб линейный, по оси абсцисс логарифмический).

Важно помнить, что при построении графика по значениям, выраженным в

децибелах, по соответствующей оси графика (в данном случае по оси ординат) всегда выбирается линейный масштаб. При необходимости быстрой оценки величины коэффициента усиления по данным, выраженным в децибелах, можно воспользоваться таблицей 1.

Таблица 1

КU 0.01 0.1 0.5 0.707 1 1.414 2 10 20 100 1000 KU dB −40 −20 −6 −3 0 3 6 20 26 40 60

Очень часто при практическом применении любых устройств, как

линейных, так и нелинейных, возникает вопрос о влиянии параметров нагрузки на характеристики устройства. Действительно, во многих случаях параметры

7

нагрузки при эксплуатации устройства меняются в широких пределах, и это может повлиять на его функционирование. Поэтому всегда возникает вопрос о диапазоне допустимых нагрузок для каждого конкретного устройства, при которых указанная зависимость незначительна. Одной из типовых характеристик, в достаточной мере отражающей указанную зависимость, является нагрузочная характеристика, показывающая, как зависит выходное напряжение устройства от активного сопротивления нагрузки при неизменных параметрах входного сигнала. Еще более полную информацию дает построение нескольких (конечно, однотипных) характеристик устройства при разных нагрузках. Это тем более необходимо, когда нагрузка имеет комплексный характер. Для возможности количественного сравнения нескольких характеристик их обычно строят на одном графике, так образуется т. н. семейство характеристик устройства. Например, в рамках данного курса лабораторных работ часто требуется построить семейство АЧХ усилительного устройства, снятых при различных режимах его работы.

Программа исследований в рамках каждой из представленных здесь лабораторных работ организована по общей схеме:

- исследовать амплитудную характеристику: UВЫХ=ψ1(UВХ); - исследовать АЧХ: UВЫХ=ψ2(f); - исследовать нагрузочную характеристику: UВЫХ=ψ3(RH); - изменить что-либо в исследуемой схеме и повторить измерения

характеристик UВЫХ=ψ1(UВХ), UВЫХ=ψ2(f) и UВЫХ=ψ3(RH) с целью оценки влияния этого изменения на характеристики устройства.

Вообще, некоторые пункты исследований могут отсутствовать, если характеристика для исследуемого устройства не имеет принципиального значения, а порядок проведения измерений может быть другим.

При проведении исследований линейных электронных устройств используются генераторы гармонических сигналов, осциллографы, стрелочные и цифровые вольтметры и амперметры, а для точного задания частоты входных сигналов (в тех работах, где эта точность имеет принципиальное значение) применяются электронносчётные частотомеры.

Нелишне заметить, что прежде чем приступать к каким-либо измерениям, нужно предварительно изучить принципиальную схему исследуемого устройства, ознакомиться с составом лабораторной установки, расположением органов коммутации и управления лабораторного макета, а также научиться пользоваться измерительными приборами.

Кроме того, непосредственно перед выполнением лабораторной работы следует согласовать с преподавателем программу исследований, подготовив протокол в соответствии с формой, приведенной в приложении для каждой работы, предварительно отметив на его первом листе состав бригады студентов.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия следует выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя, даже если программа измерений выполнена не полностью.

8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 (макет №18) ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОСНОВЕ ПРЕЦИЗИОННОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

К140УД1408

Цель работы: изучение возможностей практического использования прецизионного операционного усилителя типа К140УД1408; исследование типовых линейных электронных устройств обработки сигналов, выполненных на базе этого усилителя.

1.1. Методические указания по подготовке к работе Операционный усилитель (ОУ) это универсальный электронный элемент,

который используется для создания разнообразных устройств обработки сигналов и аналоговых электронных моделей.

Варианты условных обозначений ОУ показаны на рис. 1.1.

а) б)

Рис. 1.1. Условные обозначения для ОУ на схемах. Особенностью ОУ, отличающей его от всех остальных усилительных

устройств, является наличие двух входов: прямого (неинвертирующего) и инвертирующего "Вх+" и "Вх−" на рис. 1.1, соответственно. Входные напряжения UВХ+ и UВХ− подаются на каждый вход ОУ относительно общего провода схемы (который на схемах обозначается символом “┴”), относительно него же измеряется выходное напряжение UВЫХ. Математически работа ОУ описывается соотношением

UВЫХ=K0⋅(UВХ+ − UВХ−),

где K0 собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Анализ и синтез схем на операционных усилителях удобно проводить с использованием модели идеального ОУ, которая характеризуется следующими свойствами:

- коэффициент K0 бесконечно велик; - входное сопротивление бесконечно велико; - выходное сопротивление равно нулю (это означает, что мощность

выходного сигнала идеального ОУ ничем не ограничена); - полоса рабочих частот бесконечна. Наличие двух входов позволяет вводить в схемы с использованием ОУ как

положительные, так и отрицательные обратные связи с целью придания этим

9

схемам желаемых свойств. При построении усилительных устройств на базе ОУ используется отрицательная обратная связь (ООС). В ОУ, охваченном отрицательной обратной связью (как показано на рис. 1.2), сигнал, поданный на вход схемы, проходит на инвертирующий вход ОУ через сопротивление R−, усиливается в K0 раз, меняет знак на противоположный и с выхода через резистор обратной связи RОС− подается обратно во входную цепь. При этом операционный усилитель формирует такое выходное напряжение, которое окажется достаточным для компенсации входного воздействия так, чтобы в установившемся режиме разность напряжений между двумя входами ОУ (т.н. дифференциальное напряжение UД) оказалась бы равной нулю. Для идеального ОУ компенсация предполагается полной, для реальных ОУ остаточное не скомпенсированное напряжение UД оказывается хотя и не нулевым, но весьма малым. Эту особенность функционирования ОУ называют свойством «виртуального нуля».

Рис. 1.2. Одна из типовых схем включения ОУ:

схема масштабного усилителя на основе ОУ в инвертирующем включении. Операционные усилители, выпускаемые промышленностью в виде

интегральных микросхем, обладают свойствами, в достаточной степени близкими к свойствам идеального ОУ, по крайней мере, при решении большинства практических задач. В частности, у ряда современных операционных усилителей:

- коэффициент усиления (K0) может достигать 120 дБ (т. е. 106 раз); - входное сопротивление (RВХ) измеряется десятками гигаом; - выходное сопротивление исчисляется десятыми долями Ома; - частота единичного усиления достигает сотен мегагерц и даже единиц

гигагерц. Исследуемый ОУ типа К140УД1408 представляет собой отечественный

аналог широко известного и хорошо зарекомендовавшего себя во многих технических приложениях ОУ типа LM308, разработанного фирмой "National Semiconductor" (США) и выпускаемого многими другими фирмами. Он, в частности, обладает следующими параметрами:

- K0 не менее 94 дБ; - RВХ не менее 30 МОм; - частота единичного усиления не менее 300 кГц.

10

Разработчиком предусмотрена возможность подключения к ОУ специальных цепей частотной коррекции, с целью расширения полосы рабочих частот устройств на его основе.

Принцип расчета и анализа типовых устройств на основе ОУ иллюстрируют следующие примеры.

Масштабный усилитель. Практическое использование ОУ как усилительного устройства затрудняется тем, что значение собственного коэффициента усиления K0 обычно оказывается слишком большим для многих практических приложений. Для того чтобы построить усилитель с любым другим (меньшим, чем K0) значением коэффициента усиления, применяют схемы масштабных усилителей, в которых ОУ может быть включен либо по схеме инвертирующего включения, либо неинвертирующего включения.

Схема масштабного усилителя на ОУ в инвертирующем включении приведена на рис. 1.2. Считая ОУ идеальным (в частности, полагая UД=0), и применяя законы Ома и Кирхгофа, нетрудно получить соотношения для расчета данного усилителя:

=+

=

=

−

−

,0II

R

UI

R

UI

10

OC

ВЫХ1

ВХ0

из которых выражается его коэффициент усиления по напряжению

−

−−==R

R

U

UK OC

BХ

BЫХU . (1.1)

Соответственно, амплитудная характеристика масштабного усилителя в

инвертирующем включении выражается как .UR

RU BХ

OCBЫХ ⋅−=

−

−

Резистор R+ служит для симметрирования режимов работы входных каскадов ОУ, хотя, в принципе, его наличие в схеме не обязательно.

Для масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении, схема которого приведена на рис. 1.3, система уравнений имеет вид:

=−

−=

=

−

−

,0II

R

UUI

R

UI

01

OC

ВХВЫХ1

ВХ0

11

и коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

.R

R1

U

UK OC

BХ

BЫХU

−

−+==

Амплитудная характеристика масштабного усилителя в неинвертирующем включении выражается соответственно как

.UR

R1U BХ

OCBЫХ

+=

−

− (1.2)

Рис. 1.3. Схема масштабного усилителя в неинвертирующем включении ОУ.

В общем случае, вместо R− и RОС− в схемах масштабных усилителей

включают сложные цепи из сопротивлений и реактивных элементов (конденсаторы и индуктивности), тогда в выражение (1.1) следует подставлять соответствующие комплексные сопротивления Z−(jω) и ZОС−(jω) и оперировать формулой для комплексной частотной передаточной характеристики устройства:

( ) ( )( ) ,jZ

jZjW OC

ωω−=ω

−

−

Нужно заметить, что полоса рабочих частот масштабного усилителя на базе

ОУ зависит не только от вида Z−(jω) и ZОС−(jω), но и от свойств самого ОУ. Даже когда в качестве внешних элементов используются активные сопротивления, и теоретически для идеального ОУ коэффициент усиления не зависит от частоты сигнала (A(ω)=Const), полоса частот реального масштабного усилителя всегда будет ограничена сверху. Причём частотный диапазон масштабного усилителя на ОУ получается тем уже, чем больше значение его коэффициента усиления KU.

В интегрирующем усилителе, который представляет собой масштабный усилитель на ОУ в инвертирующем включении с комплексными сопротивлениями Z−(jω)=R− и ZОС−(jω)=1/jωCОС− (см. рис. 1.4), частотная передаточная характеристика имеет вид

12

( ) ,CRj

1W

OCi

−−⋅ω−=ω

т. е. для спектров входного и выходного сигналов SBX(jω) и SВЫХ(jω) справедливо соотношение:

( ) ( ) ( ) ( ).

CRj

jSjWjSjS

OC

BXiBXBЫX

−−⋅ωω−=ω⋅ω=ω

При переходе в область временного описания сигналов посредством

обратного преобразования Фурье, происхождение названия рассматриваемого устройства становится очевидным:

( ) ( ) .dUCR

1tU

t

BXOC

BЫX ∫∞−−−

ττ−=

Рис. 1.4. Схема интегрирующего усилителя на основе ОУ.

Коэффициент пропорциональности между выходным сигналом и

интегралом входного сигнала Ki = 1/R−CОС− имеет размерность 1/сек. Теоретическое выражение для амплитудно-частотной характеристики

(АЧХ), полученное по общей формуле A(ω)=|W(jω)| для интегрирующего усилителя на ОУ приводится к виду

( ) ,CR

1A

OCi

−−⋅ω=ω

или для циклической частоты f, измеряемой в герцах,

( ) .CRf2

1fA

OCi

−−⋅π= (1.3)

В данной работе зависимость (1.3) исследуется экспериментально.

13

1.2. Описание лабораторной установки Электрическая принципиальная схема лабораторного макета приведена на

рис. 1.5. Конфигурация исследуемой схемы на основе прецизионного ОУ К140УД1408 (DA1) задается переключателями S1 – S5: S1 позволяет задавать инвертирующее либо неинвертирующее включение ОУ; переключатель S2 определяет вид цепи обратной связи ZОС−(jω); переключателем S3 можно выбирать тип частотной коррекции ОУ (простая коррекция осуществляется подключением конденсатора C1 между выводами 1 и 8 микросхемы DA1, сложная схема коррекции включает, помимо C1, еще цепь R7 – C4); переключатель S4 управляет подключением резистивного делителя напряжения R8 – R9 в цепи обратной связи ОУ, S5 позволяет задавать различные сопротивления нагрузки.

Рис. 1.5. Схема лабораторного макета.

Номинальные значения элементов схемы: R1=R2=10 кОм, R3=22 кОм,

R4=100 кОм, R7=3 кОм, R8=R9=10 кОм, R10=510 Ом, R11=1 кОм, R12=5.1 кОм; C1=510 пФ, С4=10 пФ, СОС=0.1 мкФ; LОС=360 мкГн.

В разных сочетаниях S1, S2 и S3 на лабораторном макете можно создавать следующие схемы:

- масштабного усилителя на основе ОУ в инвертирующем включении; - масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении;

14

- интегрирующего усилителя; - фильтра высоких частот. Для проведения экспериментов используются широкодиапазонный

генератор сигналов, вольтметры переменного тока B3-38 и осциллограф. 1.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований. 2. Включить лабораторную установку и измерительные приборы. 3. Подготовить лабораторную установку к работе, выполнив следующее: - к клеммам Х1-Х2 макета подключить выход генератора сигналов и

вольтметр; - к клеммам Х3-Х4 подключить осциллограф и второй вольтметр; - переключатели установить следующим образом: S3 в I, S4 в II, S5 в 3; - установить на генераторе сигналов режим гармонических колебаний. 4. Снять амплитудную характеристику масштабного усилителя на базе ОУ

К140УД1408 в различных схемах включения. Для этого установить на генераторе сигналов минимальный уровень сигнала

и заданное преподавателем в протоколе результатов измерений значение частоты входного сигнала fВХ (если не задано, то установить fВХ = 100 Гц).

Далее, последовательно задавая переключателями S1 и S2 различные конфигурации исследуемой схемы:

а) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм (S1 в положении I, S2 в положении 1);

б) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм (S1 в положении I, S2 в положении 2);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в неинвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм (S1 в положении II, S2 в положении 1),

исследовать амплитудную характеристику каждого из устройств. Для этого, следует, изменяя уровень входного напряжения UВХ в диапазоне от 2 мВ до 5 В, измерять напряжение сигнала на выходе UВЫХ. Для измерения UВХ и UВЫХ используются вольтметры B3-38. Результаты измерений заносить в протокол, заполняя ячейки таблицы П1.1.

Форму выходного сигнала следует контролировать по осциллографу и при появлении нелинейных искажений (любые заметные отличия формы сигнала от гармонической функции, например, как показано на рис. 1) нужно обязательно делать пометки в протоколе возле соответствующих значений UВЫХ.

5. Исследовать амплитудно-частотную характеристику масштабного усилителя на базе ОУ К140УД1408 в различных схемах включения.

Установить на генераторе сигналов входное напряжение на середине линейного участка амплитудной характеристики (приблизительно равное половине того значения максимального входного напряжения, при котором ни в одной из исследованных в п. 4 схем не были замечены нелинейные искажения выходного сигнала).

Далее, последовательно задавая переключателями S1, S2 и S3 различные конфигурации исследуемой схемы:

15

а) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм и простой цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 1, S3 в положении I);

б) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм и сложной цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 1, S3 в положении II);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм и простой цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 2, S3 в положении I);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм и сложной цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 2, S3 в положении II),

исследовать амплитудно-частотную характеристику каждого из устройств. Для этого, следует, изменяя частоту входного сигнала fВХ в диапазоне от минимального до максимального значения (в соответствии с возможностями используемого генератора гармонических сигналов), измерять напряжение сигнала на выходе UВЫХ. Значение UВХ следует поддерживать постоянным для каждого устанавливаемого на генераторе значения частоты fВХ. Для контроля UВХ и измерения UВЫХ используются вольтметры B3-38. Результаты измерений заносить в протокол, заполняя столбцы таблицы П1.2, кроме последнего.

6. Исследовать амплитудно-частотную характеристику интегрирующего усилителя на базе ОУ К140УД1408.

Собрать интегрирующий усилитель на ОУ, установив переключатели следующим образом: S1 в положение I, S2 в положение 3, S3 в положение I. Далее, задавая значения частоты входного сигнала fВХ, приведенные в табл. П1.2, измерять напряжение сигнала на выходе (UВЫХ) и заполнять последний столбец таблицы П1.2. Значение UВХ следует установить таким же, как и в п. 5, и поддерживать его постоянным для каждого устанавливаемого на генераторе сигналов значения частоты fВХ.

7. По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя.

1.4. Содержание отчета В отчете по работе должны быть приведены: 1. Формулировка цели работы. 2. Схемы исследуемых устройств (масштабного и интегрирующего

усилителей) и комментарии к ним. 3. Таблицы проделанных экспериментальных измерений, данные

теоретических расчетов, комментарии к ним. Таблицу П1.2 из протокола в отчете для каждой схемы включения следует

дополнить столбцами с расчетными значениями коэффициента усиления в децибелах (по формуле KU dB=20⋅Lg(UВЫХ/UВХ) ), для каждого значения частоты, т. е. привести данные в формате таблицы 1.1 (чтобы не нарушать правильный

16

порядок нумерации, при оформлении отчета следует придерживаться изначально принятой в нём нумерации таблиц).

4. Графики экспериментальных и теоретических зависимостей: - амплитудные характеристики зависимости UВЫХ от UВХ (по данным

табл. П1.1) пара характеристик: экспериментальная и теоретическая на одном графике для каждого масштабного усилителя по отдельности (по обеим осям следует использовать логарифмический масштаб); для масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении теоретическую характеристику следует строить по формуле (1.2), а для усилителя на ОУ в инвертирующем включении по формуле “без

знака”, т.е. ;UR

RU BХ

OCBЫХ ⋅=

−

− теоретические графики представляют

собой прямые линии и каждую из них можно построить всего по двум точкам.

Таблица 1.1

вид ОС RОС−=22 кОм RОС−=100 кОм СОС−= мкФ коррекция простая сложная ... ... простая

f, Гц UВЫХ, В KU dB UВЫХ, В KU dB ... ... ... ... UВЫХ, В KUi dB 10 20 ... ...

2⋅105 Примечание: R+= кОм, R−= кОм.

- графики АЧХ (зависимости KU dB от f) для всех четырех исследованных

схем масштабного усилителя на одном графике в полулогарифмическом масштабе (логарифмический масштаб использовать по оси частот);

- графики АЧХ для интегрирующего усилителя: 1) экспериментальная (по данным KUi dB) и 2) теоретическая (по формуле 20⋅Lg(A i(f)), где Ai(f) рассчитывается по (1.3)) обе зависимости на одном графике, в полулогарифмическом масштабе (логарифмический масштаб использовать по оси частот).

5. Выводы по результатам работы (в письменной форме), в которых следует отразить соответствие теоретических и опытных результатов и проанализировать возможные причины их расхождения, особо отметив те, которые обусловлены неидеальностью используемого операционного усилителя. В частности:

- какова степень соответствия теоретических и экспериментально полученных амплитудных характеристик масштабных усилителей на ОУ, каков динамический диапазон выходного напряжения ОУ;

- насколько велик выигрыш в полосе рабочих частот за счёт использования сложной частотной коррекции вместо простой;

17

- действительно ли полоса частот масштабного усилителя на ОУ оказывается тем уже, чем больше задан коэффициент усиления;

- соответствует ли теоретическая АЧХ интегрирующего усилителя экспериментальной, а если не соответствует, то в чём заключаются эти отличия и какова их возможная причина.

6. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

1.5. Контрольные вопросы

1. Какое устройство называют операционным усилителем, чем отличается ОУ от других усилителей?

2. Каким требованиям должен удовлетворять идеальный операционный усилитель и почему?

3. Поясните свойство виртуального нуля ОУ на конкретном примере масштабного усилителя.

4. Перечислите каскады типовой структуры ОУ и сформулируйте требования, которые к ним предъявляются.

5. В частности, как проявляется отличие собственного коэффициента усиления от бесконечности в работе масштабного усилителя?

6. Как сказывается конечное значение входного сопротивления реального ОУ на значении коэффициента усиления масштабного усилителя?

7. Изобразите схему масштабного усилителя. Дайте вывод формулы для его коэффициента усиления.

8. Какими еще параметрами (помимо RВХ, RВЫХ и К0) характеризуется ОУ? 9. Изобразите схему суммирующего усилителя. Выведите выражение,

связывающее напряжения на входах с напряжением на выходе. 10. Изобразите схему интегрирующего усилителя на ОУ и выведите выражение

для его частотной передаточной характеристики. 11. Какие требования предъявляются к частотным свойствам ОУ? 12. Какой фактор ограничивает максимально допустимые значения номиналов

сопротивлений в схеме масштабного усилителя? 13. Какой фактор ограничивает минимально допустимые значения номиналов

сопротивлений в схеме масштабного усилителя? 14. Почему значение сопротивления R+ не влияет на коэффициент усиления схем

масштабных усилителей? 15. С какой целью в схемы масштабных усилителей вводят сопротивление в цепи

неинвертирующего входа (R+)? 16. Поясните смысл термина "частотная коррекция" применительно к ОУ. 17. Выведите формулу для АЧХ схемы на ОУ в инвертирующем включении, когда

в цепи отрицательной обратной связи включена индуктивность. Библиографический список 1. Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. М.: Горячая

Линия Телеком, 2004. 352 с.

18

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

3. Гальперин М.В. Электронная техника: Учебник. М.: Форум, Инфра-М, 2003. 303 с.

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие. М.: Лаборатория Базовых Знаний, СПб. 2001. 488 с.

5. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях: Пер. с англ. М.: Бином, 1994. 352 с.

6. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992.

7. Инструментальные усилители. // Компоненты и технологии. 2003, №5. 8. Отечественные быстродействующие ОУ с ОС по току и напряжению.

// Схемотехника. 2006, №1. C. 2 - 3. 9. Высоковольтные rail-to-rail операционные усилители фирмы

Maxim/Dallas. // Схемотехника. 2004, №9. C. 6 - 7. 10. Операционные усилители производственной линейки Burr-Brown от TI.

// Схемотехника. 2004, №7, №8.

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 (макет №11) ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Цель работы: практическое исследование свойств низкочастотного

избирательного усилителя на основе операционного усилителя с двойным Т-образным фильтром в цепи обратной связи.

2.1. Методические указания по подготовке к работе В технике нередко требуется осуществить частотную селекцию сигналов, с

тем, чтобы заданным образом изменить амплитудные и фазовые соотношения между частотными составляющими спектра исходного сигнала. Устройства такого типа называют фильтрами, а если они обеспечивают помимо частотной фильтрации еще и усиление сигналов, то избирательными усилителями (или активными фильтрами).

Существует 4 функциональных разновидности фильтров, отличающихся видом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):

1) фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает на выход сигналы с частотами от нуля (постоянная составляющая сигнала) до заданной граничной частоты fВ (называемой частотой среза ФНЧ), все остальные частотные составляющие входного сигнала данный фильтр должен подавлять;

2) фильтр верхних частот (ФВЧ) пропускает на выход сигналы с частотами от заданной граничной частоты fН (называемой частотой среза ФВЧ) до бесконечности (условно), частотные составляющие от 0 до fН фильтр подавляет;

3) полосовой фильтр (ПФ) пропускает на выход все спектральные компоненты сигнала только в пределах заданного диапазона частот от fН до fВ (нижняя и верхняя частоты среза ПФ), подавляя все остальные;

4) режекторный (иногда его называют заградительным) фильтр (РФ) подавляет все спектральные компоненты сигнала в пределах заданного диапазона частот от fН до fВ, все остальные пропускает на выход.

Некоторые варианты применения полосовых усилителей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Тип Пример применения ФНЧ Сглаживание звукового сигнала на выходе цифроаналогового

преобразователя цифровых мультимедиа-проигрывателей ФВЧ Удаление постоянной составляющей сигнала в электронных

измерительных приборах переменного тока ПФ Каналы эквалайзеров в звуковоспроизводящей аппаратуре РФ Устранение помехи, сосредоточенной на определенной частоте (чаще

всего т. н. “фона переменного тока” от электрической сети 50 Гц) Один из возможных путей построения избирательного усилителя является

схема, в которой широкополосный операционный усилитель (ОУ) охватывается частотно-зависимой отрицательной обратной связью, как изображено на рис. 2.1.

20

В данной лабораторной работе исследуется полосовой избирательный усилитель (т. е., активный ПФ), усиливающий сигналы только в пределах заданного диапазона частот. В качестве четырехполюсника обратной связи с частотной передаточной характеристикой βОС(jω) в лабораторном макете используется двойной Т-образный мост, схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Схема избирательного

усилителя на ОУ. Рис. 2.2. Схема двойного Т-образного

моста. 2Т-мост является полосовым режекторным фильтром, т. е. не пропускает

сигналы со своего входа на выход в заданном диапазоне частот. У 2T-моста существует т. н. частота квазирезонанса ω0, на которой модуль частотной передаточной характеристики теоретически равен нулю и сигнал на данной частоте вообще не проходит на выход. На практике эффект полного подавления недостижим, но, тем не менее, можно полагать |βОС(jω0)|≈0.

Работу 2T-моста кратко можно объяснить следующим образом. По сути, он состоит из двух Т-образных звеньев. Одно образовано конденсаторами C1, С2 и резистором R3 (по структуре оно соответствует звену дифференцирующего типа), а второе состоит из резисторов R1, R2 и конденсатора С3 (звено интегрирующего типа). Напряжение на выходе каждого из указанных звеньев, взятое в отдельности, сдвинуто по фазе относительно входного напряжения. Напряжение на выходе звена С1-R3-C2 опережает входное напряжение, а на выходе звена R1-C3-R2 отстает от входного напряжения. На выходе этих звеньев при определенных соотношениях номиналов сопротивлений и емкостей на некоторой частоте ω0 можно получить близкие по амплитуде и противоположные по фазе выходные напряжения. В результате при параллельном соединении выходов звеньев результирующее напряжение на выходе двойного Т-образного моста оказывается минимальным (теоретически нулевым).

Наиболее часто при построении избирательных усилителей применяются симметричные двойные Т-образные мосты, у которых C1=С2=С, СЗ=2С, R1=R2=R, R3=R/2. Частотная передаточная характеристика 2Т-моста в случае, когда источник входного сигнала обладает нулевым внутренним сопротивлением, и мост не нагружен, определяется выражением:

( ) ( )( )

.RCRCj41

RC1j

2

2

OC⋅ω−⋅ω⋅+

⋅ω−=ωβ (2.1)

21

Из (2.1), пользуясь общей формулой AОС(ω)=|βОС(jω)|, и выражая круговую частоту через циклическую (ω=2πf), нетрудно получить формулу для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) двойного Т-образного моста

( )( )

( )( ) ( ),

~f4~f1

~f1fA

222

2

OC

τ⋅+τ⋅−

τ⋅−= (2.2)

где τ~ представляет собой константу, выражаемую через параметры номинальных значений элементов 2Т-моста: RC2~ ⋅π=τ .

Нетрудно видеть, что при τ= ~1f АЧХ окажется равной нулю, т. е. 2T-мост не пропускает на выход гармонический сигнал на частоте квазирезонанса, равной

τ~1 Герц. Кроме того, из (2.2) следует, что AОС(f)≤1 при любом значении f. Если же двойной Т-образный мост включается в цепь отрицательной

обратной связи (ООС) широкополосного усилителя (как показано на рис. 2.1), то полученное устройство приобретет избирательные свойства по частоте. Когда широкополосный ОУ с коэффициентом усиления K0 охвачен цепью ООС с частотной передаточной характеристикой вида βОС(jω), то комплексный коэффициент усиления по напряжению полученного устройства определяется выражением

( ) ( ).jK1

KjW

OC0

0ИУ ωβ⋅+

=ω (2.3)

Из (2.3) и (2.1) следует, что на частоте квазирезонанса сигнал обратной

связи совершенно не проходит через двойной Т-образный мост, следовательно, ООС на этой частоте не действует и усиление становится наибольшим, достигая значения K0, поскольку формально знаменатель в (2.3) на этой частоте обращается в единицу. На других частотах сигналы частично проходят через 2Т-мост (т. к. |βОС(jω)|≠0), и усиление уменьшается.

Из (2.3) в частности также следует, что когда собственный коэффициент усиления ОУ K0 очень велик (что характерно для ОУ), то избирательность определяется исключительно частотными свойствами цепи обратной связи.

Характеристики избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи можно выразить математически, если подставить (2.1) в (2.3). Соответственно, получается

( ) ( )( )( ) ( )( ) ,

RCj4RC11K

RCRCj41KjW

20

20

ИУ⋅ω⋅+⋅ω−⋅+

⋅ω−⋅ω⋅+⋅=ω

и АЧХ исследуемого избирательного усилителя может быть рассчитана теоретически по формуле

22

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )

.~f4~f11K

~f4~f1KfA

2220

222

0ИУτ⋅⋅+τ⋅−⋅+

τ⋅⋅+τ⋅−= (2.4)

Формула (2.4) свидетельствует о том, что амплитудно-частотная характеристика избирательного усилителя с симметричным двойным Т-образным фильтром в цепи обратной связи имеет выраженный максимум на частоте квазирезонанса

τ= ~1f 0 Гц (нетрудно видеть, что AИУ(f0)=K0) и по форме аналогична резонансной характеристике параллельного LC-контура.

Селективные свойства избирательного усилителя часто характеризуют параметром, называемым эквивалентной добротностью фильтра:

QИУ = ω0/∆ωИУ ,

где ∆ωИУ ширина полосы частот, измеряемая между точками пересечения графиком АЧХ уровня 0.707 от её максимального значения.

Теоретически QИУ может достигать значения К0/4; на практике её величина всегда бывает меньше из-за отличия реальной функции βОС(jω) от теоретической, вызванного разбросом параметров элементов схемы фильтра относительно номинальных значений, шунтирующим действием схемы со стороны выхода двойного Т-образного фильтра и т. д.

В работе последовательно исследуются амплитудно-частотные характеристики следующих устройств:

- операционного усилителя без обратной связи (в результате определяется экспериментальное значение K0);

- двойного Т-образного моста; - избирательного усилителя, построенного на основе ОУ, охваченного 2Т-

мостом в цепи отрицательной обратной связи. 2.2. Описание лабораторной установки Работа выполняется на макете, принципиальная электрическая схема

которого изображена на рис. 2.3 (переключатель П1 показан на схеме установленным в положение 1). В состав макета входят:

- операционный усилитель DA1, нагруженный цепочкой последовательно соединенных резисторов R12, R13, R14, R15, R16, R17;

- двойной Т-образный фильтр, состоящий из резисторов R1, R2, R3 и конденсаторов С1, С2, С3;

- цепи вспомогательных резисторов и конденсаторов, предназначенные для обеспечения необходимых электрических режимов ОУ и 2Т-моста при проведении измерений.

Параметры элементов, входящих в состав двойного Т-образного фильтра, следующие: R1=R2=R=560 Ом, R3=R/2=280 Ом, С1=С2=C=0.05 мкФ, С3=2C=0.1 мкФ (параметры R=560 Ом и C=0.05⋅10−6 Ф потребуются при теоретических расчетах АЧХ 2Т-образного моста и избирательного усилителя).

23

Резистор R3 является подстроечным, он предназначен для симметрирования 2Т-моста при периодическом техническом обслуживании лабораторной установки. В макете предусмотрена балансировка ОУ потенциометром R10, подключенном к неинвертирующему входу ОУ; балансировка осуществляется по мере необходимости при техническом обслуживании макета. С целью повышения устойчивости работы схемы в нее введен резистор R11, образующий цепь частотно-независимой отрицательной обратной связи, уменьшающей усиление ОУ. Переключатель П1 служит для подключения и отключения цепи обратной связи через двойной Т-образный мост, чем обеспечивается возможность раздельного исследования характеристик ОУ и 2Т-моста. Переключатель П2 позволяет изменять величину сигнала, подаваемого в цепь обратной связи ОУ через 2Т-мост. Резистор R4 является нагрузкой 2Т-моста при его исследовании отдельно от усилителя (мост при его работе в составе избирательного усилителя нагружен цепочкой R9+R7, и для обеспечения одинаковых режимов его работы в обоих случаях номиналы элементов находятся в соотношении R4=R9+R7). Входной сигнал при исследовании моста подается на него через делитель R6 – R5, чтобы обеспечить такой же режим его работы, как и в составе ИУ, когда сигнал обратной связи снимается с делителя R12 –R17.

Для исследований в работе используются два вольтметра переменного тока, низкочастотный генератор гармонического сигнала и осциллограф.

Входной сигнал при исследовании избирательного усилителя подается на гнезда Г1-Г2 и через делитель напряжения R8 – R7, и далее через резистор R9 поступает на инвертирующий вход ОУ. Делитель R8 – R7 ослабляет входной сигнал в 100 раз (это сделано во избежание выхода из строя высокочувствительного ОУ при случайной установке слишком высокого уровня входного сигнала). Это обстоятельство необходимо учитывать при измерениях и расчетах, поскольку вольтметр, подключаемый к точкам Г1-Г2, измеряет неослабленный сигнал, поступающий на лабораторный макет от генератора, а во всех последующих расчетах (для коэффициента K0 и для АЧХ) следует оперировать тем значением входного напряжения, которое реально попадает непосредственно на вход ИУ (левый по схеме вывод резистора R9), т. е. в 100 раз меньшим. К гнездам Г5-Г6 в принципе можно подключить измерительный прибор для контроля сигнала на инвертирующем входе ОУ, однако чувствительности стандартного милливольтметра будет недостаточно для проведения точных измерений в этих точках, вследствие “виртуального нуля” ОУ (см. лабораторную работу №1).

Выходное напряжение избирательного усилителя измеряется вольтметром, подключаемым к гнездам Г11-Г12, для контроля формы выходного напряжения ко второй паре гнезд Г11-Г12 подключается осциллограф.

При исследовании 2Т-моста входное напряжение подается с генератора на гнезда Г9-Г10; вольтметр, предназначенный для измерения входного напряжения 2Т-моста, подключается к гнездам Г7-Г8; а вольтметр для измерения выходного напряжения моста подключается к гнездам Г3-Г4. Для точного задания частоты входного сигнала к генератору гармонических сигналов подключается электронносчётный частотомер.

24

Рис. 2.3. Схема лабораторного макета.

2.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований. 2. Включить питание приборов и лабораторного макета. 3. Подключить выход генератора гармонического сигнала и вольтметр к

гнездам Г1-Г2 лабораторного макета. К гнездам Г11-Г12 подключить второй вольтметр и осциллограф. Установить минимальный уровень сигнала на выходе генератора гармонического сигнала. Частоту сигнала установить равной 2 кГц.

4. Цепь ОС разомкнуть, установив переключатель П1 в положение 2 (вправо). Переключатель П2 установить в положение 2.

5. Постепенно увеличивая напряжение сигнала, снимаемого с выхода генератора, от нуля до максимума, наблюдать по осциллографу изменение напряжения на выходе усилителя. Зафиксировать то значение напряжения входного сигнала, при котором только-только начинают появляться заметные искажения сигнала на выходе (любые отличия формы от гармонической функции). Полученное значение напряжения UВХ MAX считается границей линейного участка амплитудной характеристики ОУ; это значение следует отметить его в протоколе и далее в процессе выполнения работы следить за тем, чтобы подаваемое с генератора в исследуемую схему напряжение не превышало бы UВХ MAX . Если искажений не было, следует принять UВХ MAX равным максимальному напряжению генератора сигналов, округлив его значение до целых в меньшую сторону. Нужно помнить, что входное напряжение перед подачей на вход ОУ ослабляется в 100 раз, но заносить в протокол нужно значение напряжения, измеряемого вольтметром, без учета этого ослабления.

25

6. Снять амплитудно-частотную характеристику ОУ без обратной связи в диапазоне частот от 2 до 8 кГц. Для проведения измерений следует установить некоторое значение UВХ (0<UВХ<UВХ MAX , лучше примерно посередине диапазона), отметив его в протоколе под таблицей, и, далее, изменяя значение частоты на генераторе с шагом, указанным в табл. П2.1, измерять UВЫХ для каждого значения f. При измерениях нужно следить за постоянством входного напряжения, подстраивая его по мере необходимости. В данном случае ОУ включен без обратной связи, его выходное напряжение не должно сколько-нибудь заметно изменяться при варьировании частоты в заданном диапазоне.

7. Снять амплитудно-частотную характеристику двойного Т-образного моста. Для этого проделать следующее:

• подключить выход генератора к гнездам Г9-Г10; • к гнездам Г7-Г8 подключить вольтметр, который будет использоваться

для измерения входного напряжения 2Т-моста; • к гнездам Г3-Г4 подключить осциллограф и второй вольтметр

переменного тока для измерения выходного напряжения 2Т-моста. • установить на генераторе значение частоты 2 кГц; • пользуясь вольтметром, подключенным к Г7-Г8, и регулируя уровень

сигнала генератора, установить напряжение на входе моста равным 1 В. Далее, изменяя частоту сигнала в соответствии с шагом, указанным в табл. П2.2 в протоколе измерений, и поддерживая установленное входное напряжение постоянным по величине при каждом значении частоты, снять амплитудно-частотную характеристику двойного Т-образного моста. В протоколе также следует отметить как можно более точное значение частоты, на которой наблюдается минимум АЧХ (с точностью десяти герц), а также уровень UВЫХ на этой частоте (UВЫХ MIN). Чтобы избежать ошибок, важно помнить, что здесь входное напряжение не подвергается ослаблению, как это было в п. 5 и п. 6, поскольку элементы 2Т-моста устойчивы к электрическим перегрузкам.

8. Снять амплитудно-частотную характеристику, усилителя с замкнутой цепью обратной связи, сконфигурировав схему так, чтобы между выходом и входом ОУ был подключен 2Т-мост. Для этого нужно подключить выход генератора гармонического сигнала и вольтметр к гнездам Г1-Г2; а второй вольтметр и осциллограф к гнездам Г11-Г12. Цепь отрицательной обратной связи замкнуть, установив переключатель П1 в положение 1 (влево). Переключатель П2 установить в положение 2.

Далее следует установить UВХ таким же как и в п. 6, и, изменяя значение частоты на генераторе с шагом, указанным в табл. П2.3, измерять UВЫХ для каждого устанавливаемого значения f. Нужно помнить, что здесь входное напряжение ослабляется в 100 раз. Здесь напряжение уже будет меняться при варьировании частоты, особенно сильно оно будет изменяться в районе частоты квазирезонанса f0. Следует обязательно найти точное значение частоты f0 (с точностью десяти герц), на которой наблюдается максимум АЧХ, а также уровень UВЫХ на этой частоте (UВЫХ MAX) и отметить это в протоколе (в специально отведенных для этого полях над таблицей П2.3).

26

9. Повторить измерения по п. 8, изменив положение переключателя П2 в положение 3, 4 или 5 (по указанию преподавателя). Результаты измерений занести в таблицу П2.4, аналогичную по форме таблице П2.3, обязательно найдя и отметив отдельно, так же, как и в п. 8, точное положение частоты f0, на которой наблюдается максимум АЧХ и уровень UВЫХ MAX на этой частоте.

По окончании работы или за 3..4 минуты до окончания занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

2.4. Содержание отчета Отчет должен содержать: 1. Формулировку цели работы, упрощенную принципиальную

электрическую схему исследуемого устройства. 2. Таблицы с результатами измерений и данными расчетов. Каждую из таблиц необходимо дополнить строками с расчетными

значениями коэффициента усиления в разах (по формуле KU=UВЫХ/UВХ, не забыв предварительно разделить значения UВХ на 100, но конечно, только лишь там, где входной сигнал подвергался ослаблению), и в децибелах (по формуле KU dB=20⋅Lg(KU) ). Значение коэффициента K0 который используется в теоретических расчетах по формуле (2.4), определяется по данным таблицы П2.1, как K0=max(KU). Кроме того, в таблицы в нужное место необходимо вставить значения зафиксированных над таблицами в протоколе точек экстремума (минимума или максимума) частоты f0 и UВЫХ на частоте f0.

В таблицы П2.2 – П2.4 следует дополнительно ввести строки с теоретическими расчетами амплитудно-частотных характеристик A(f):

- для таблицы П2.2 по формуле (2.2); - для таблиц П2.3 и П2.4 по формуле (2.4).

Кроме этого, после расчетов A(f) нужно перевести полученные значения АЧХ в децибелы, используя соотношение A dB(f)=20⋅Lg(A(f))

В итоге, структура таблицы П2.1 должна соответствовать таблице 2.2, а таблиц П2.2 – П2.4 таблице 2.3. Чтобы не нарушать последовательный порядок нумерации, при оформлении отчета следует придерживаться последовательности нумерации таблиц, принятой в отчёте. В отчете следует привести пример расчета значений KU dB и A dB(f) для каждого из исследованных устройств на какой-нибудь частоте, отличной от f0.

3. Графики по данным таблиц с расчётными данными: - 2 графика АЧХ 2Т-моста: экспериментальный KU dB(f) и теоретический

A dB(f) на одном графике в линейном масштабе; - 3 графика АЧХ избирательного усилителя: два экспериментальных

KU dB(f) при различных положениях переключателя П2 (по данным табл. П2.3 и табл. П2.4) и один теоретический A dB(f) по данным табл. П2.3 на одном графике в линейном масштабе.

При построении графиков желательно не “мельчить”, а построить графики на отдельных листах, чтобы отчетливо просматривались особенности их форм.

27

4. Выводы по результатам работы (в письменной форме), в которых отметить степень соответствия экспериментально исследованных зависимостей и теоретических расчетов АЧХ 2Т-моста и избирательного усилителя, а в случае их существенного несоответствия проанализировать причины этого.

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный

преподавателем.

Таблица 2.2 f, Гц UВЫХ, B KU KU dB

Таблица 2.3

f, Гц f0 UВЫХ, B KU KU dB A(f) A dB(f)

При желании можно провести дополнительное учебное теоретическое

исследование, в частности, на предмет анализа влияния отклонения параметров элементов схемы (значения собственного коэффициента усиления ОУ K0, номиналов R и С) на свойства полосового избирательного усилителя с 2Т-мостом. Это нетрудно сделать, используя компьютерные программы для математических расчётов: достаточно запрограммировать формулы (2.2) и (2.4) и построить графики для разных сочетаний параметров.

Кроме того, можно привести краткие сведения о нескольких (двух-трех) типах современных операционных усилителей с указанием их основных параметров (RВХ, K0 см. лабораторную работу №1) и пояснить, какой из них больше подходит для реализации избирательного усилителя

2.5. Контрольные вопросы 1. Какова физическая сущность процессов, лежащих в основе селективного

эффекта двойного Т-образного фильтра? 2. Изобразите амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики

двойного Т-образного фильтра и поясните на этом принцип его функционирования.

3. Дайте объяснение избирательному свойству операционного усилителя с двойным Т-образным фильтром в цепи отрицательной обратной связи, объяснив, в частности, почему на частоте квазирезонанса у 2Т-моста наблюдается минимум АЧХ, а у усилителя с 2Т-мостом в цепи обратной связи на той же частоте оказывается максимум АЧХ?

28

4. Оцените влияние коэффициента усиления ОУ на избирательные свойства усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи.

5. Как изменить частоту квазирезонанса полосового избирательного усилителя с частотно-зависимой обратной связью?

6. Что такое добротность полосового избирательного усилителя, и каким образом можно влиять на ее значение?

7. Проанализируйте, как может повлиять увеличение сопротивлений резисторов 2Т-моста (R1, R2, R3 на рис. 2.3) при сохранении частоты квазирезонанса (т.е. емкости C1 − C3 также пропорционально уменьшаются) на амплитудно-частотную характеристику избирательного усилителя?

8. Какие ещё существуют способы реализации избирательных усилителей? В чем заключаются преимущества рассмотренного способа построения избирательного усилителя и в чем недостатки этого способа?

9. Проанализируйте возможность создания избирательного усилителя на базе ОУ с LC-контуром в цепи обратной связи и дайте пояснения.

10. Назовите области применения частотно-избирательных усилителей и дайте развернутые комментарии.

11. Какие факторы ограничивают выбор номиналов компонентов двойного Т-образного моста при заданной частоте квазирезонанса?

12. Нарисуйте какой-нибудь вариант схемы ФНЧ на основе ОУ, охваченного частотно-зависимой обратной связью, и поясните принцип ее построения и работы.

13. Нарисуйте какой-нибудь вариант схемы ФВЧ на основе ОУ, охваченного частотно-зависимой обратной связью, и поясните принцип ее построения и работы.

14. Нарисуйте какой-нибудь вариант схемы РФ на основе ОУ, охваченного частотно-зависимой обратной связью, и поясните принцип ее построения и работы.

Библиографический список 1. Гальперин М.В. Электронная техника: Учебник. М.: Форум, Инфра-М,

2003. 303 с. 2. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных

усилителях: Пер. с англ. М.: Бином, 1994. 352 с. 3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая

электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

4. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1986. 544 с.

5. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992.

29

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 (макет №10) ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМЫ К118УН1

Цель работы: изучение принципов построения транзисторных усилителей

устройств с резистивно-емкостными цепями межкаскадных связей, методики измерения и расчета их характеристик на примере микросхемы К118УН1.

3.1. Методические указания по подготовке к работе В усилительной технике маломощные транзисторные усилители, состоящие

из одного-двух каскадов, находят применение при построении малошумящих входных цепей высокочувствительных усилителей. В их схемотехнике чаще всего используется включение транзистора по схеме с общим эмиттером, а связь с источником входного сигнала и нагрузкой осуществляется с помощью разделительных конденсаторов.

Традиционная схема усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе.

Рассмотрим назначение основных элементов этой схемы. Делитель напряжения, образованный сопротивлениями R1 и R2, задает

потенциал базы транзистора VT1, и тем самым определяет режим его работы по постоянному току. Резистор R3 создает отрицательную обратную связь (ООС) по току, что улучшает стабильность режима работы транзистора. Однако ООС уменьшает усиление каскада, поэтому параллельно резистору R3 включают конденсатор большой емкости С3. Если модуль сопротивления конденсатора (|ZC|=1/ωC) в диапазоне частот входных сигналов будет намного меньше величины R3, то можно считать, что ООС по переменному току не действует. При этом стабильность рабочей точки по постоянному току сохраняется. Разделительные конденсаторы C1 и С2 осуществляют связь усилительного каскада с источником сигнала и нагрузкой по переменному току.

Эквивалентная схема выходной цепи рассматриваемого усилительного каскада по переменному току приведена на рис. 3.2, а, где RН и СН сопротивление и емкость нагрузки, а СВЫХ выходная емкость транзистора VT1.

30

Дальнейшее преобразование этой схемы приводит к схеме замещения, изображенной на рис. 3.2, б, где С0=СВЫХ + СН, и EГ=µUВЫХ (здесь µ статический коэффициент усиления транзистора).

а) б)

Рис. 3.2. К анализу выходной цепи типового усилительного каскада: а) эквивалентная схема; б) схема замещения.

Проведя расчеты по схеме, изображенной на рис. 3.2, б, методами теории

линейных цепей, можно определить частотную передаточную характеристику усилительного каскада:

( ) ,

CRj

1

R

R

C

CCRj1

KjW

2HH

BЫХ

2

00BЫХ

0

ω+++ω+

=ω (3.1)

где K0 коэффициент усиления каскада на средних частотах; RВЫХ = RКRi/(RК + Ri) активная составляющая выходного сопротивления каскада на средних частотах.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя, отражающая его способность усиливать сигналы на разных частотах, может быть рассчитана по общей формуле A(ω) = |W(jω)|, из которой, после преобразований нетрудно получить выражение:

( ) .

CRf2

1CRf2

R

R

C

C1

KfA

2

2H0BЫХ

2

H

BЫХ

2

0

0

⋅π+⋅π+

++

= (3.2)

Принципиальная схема внутренней структуры микросхемы К118УН1

приведена на рис. 3.3. Она представляет собой две последовательно соединенные типовые схемы усилительного каскада (см. рис. 3.1). Между первым и вторым каскадами усилителя используется гальваническая связь. Режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется цепью, составленной из резисторов R7, R5-R3, благодаря чему усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью по постоянному току, что обеспечивает стабильность положения рабочей точки транзисторов при воздействии на микросхему дестабилизирующих

31

факторов. Режим работы каждого из транзисторов дополнительно стабилизируется сопротивлениями R2 и R7 (включенными аналогично R3 на рис. 3.1). Нежелательную общую ООС по переменному току, уменьшающую усиление, можно устранить, включив блокировочный конденсатор между выводом 5 микросхемы и общим проводом. В этом случае переменная составляющая тока обратной связи замыкается на общий провод и на вход усилителя не проходит. Аналогичные решения, при необходимости, применяются для устранения местных обратных связей по переменному току.

Номинальные значения сопротивлений, входящих в состав микросхемы К118УН1, изображенной на рис. 3.3, а, следующие: R1=5.7 кОм, R2=100 Ом, R3=4 кОм, R4=4 кОм, R5=4 кОм, R6=1.7 кОм, R7=400 Ом.

Обычно микросхема К118УН1 используется в качестве усилителя сигналов, хотя на ее основе можно строить и другие устройства аналоговой обработки сигналов. Внешние подключения в одной из типовых схем включения микросхемы К118УН1 как усилителя таковы (см., в частности, рис. 3.3, б):

- к выводу 7 подключается источник питания с напряжением 6.3 В (для микросхем К118УН1А и К118УН1Б) или 12.6 В (для К118УН1В, К118УН1Г, К118УН1Д);

- вывод 14 соединяется с общим проводом (к которому также подключается отрицательный полюс источника питания);

- выводы 9 и 10 соединяются перемычкой, сопротивлением или дросселем; - входом усилителя служит вывод 3, выходом вывод 10; - к выводам 2, 12 и 5 при необходимости могут подключаться

блокировочные конденсаторы (при этом второй вывод каждого из конденсаторов соединяется с общим проводом, см. рис. 3.3 б), с тем, чтобы получить от микросхемы максимально возможное усиление.

а) б)

Рис. 3.3. Микросхема К118УН1 (в 14-выводном корпусе типа 238.14-1): а) принципиальная электрическая схема; б) одна из типовых схем включения.

Диапазон рабочих частот микросхемы К118УН1 в соответствии с её

паспортными данными – от 0 до 100 кГц (без учета влияния реактивных

32

элементов в составе нагрузки и параметров резистивно-емкостных цепей связи с источником сигнала и нагрузкой).

3.2. Описание лабораторной установки Лабораторная установка выполнена в виде макета, схема которого

приведена на рис. 3.4. При выполнении лабораторной работы используются генератор гармонических сигналов, два вольтметра переменного тока и осциллограф. В зависимости от варианта исследования схемы, входной сигнал может быть подан либо на клеммы Г1-Г2, либо на клеммы Г7-Г8, а выходной сигнал может быть зарегистрирован либо на выходных клеммах Г3-Г4 (Г5-Г6), либо на клеммах Г9-Г10 (Г11-Г12). Таким образом, транзистор VT1 можно включить либо по схеме с общим эмиттером (ОЭ), либо по схеме с общей базой (ОБ) − это определяется способом подачи на него входного сигнала. Транзистор VT2 может быть включен либо по схеме ОЭ, либо по схеме с общим коллектором (ОК) − в зависимости от выбора точки съема выходного сигнала. При построении усилительных устройств на микросхеме К118УН1 чаще всего организуется конфигурация ОЭ-ОЭ, поскольку такая структура при прочих равных условиях обеспечивает наибольший коэффициент усиления.

Конфигурацию лабораторного макета можно изменять переключателями П1 – П8:

- П1 предназначен для изменения цепей подключения вывода базы транзистора VT1: при подаче входного сигнала на клеммы Г1-Г2 эти цепи выполняют связь усилителя с источником входных сигналов; а при подаче входного сигнала на клеммы Г7-Г8, эти цепи определяют способ соединения базы транзистора VT1 с общим проводом;

- П2 предназначен для изменения цепей подключения вывода эмиттера транзистора VT1: при подаче входного сигнала на клеммы Г1-Г2, эти цепи задают способ нейтрализации местной отрицательной обратной связи каскада; а при подаче входного сигнала на клеммы Г7-Г8, эти цепи выполняют связь усилителя с источником входных сигналов;

- П3 предназначен для подключения или отключения конденсаторов, выполняющих коррекцию АЧХ усилителя в области низких частот;

- П4 предназначен для изменения параметров общей ООС, с целью уменьшения её действия на переменном токе;

- П5 предназначен для изменения цепей подключения вывода коллектора транзистора VT2: при снятии выходного сигнала с клемм Г3-Г4 (Г5-Г6), эти цепи выполняют связь усилителя с нагрузкой; а при снятии выходного сигнала с клемм Г9-Г10 (Г11-Г12), эти цепи определяют способ соединения коллектора транзистора VT2 с общим проводом;

- П6 предназначен для изменения цепей подключения вывода эмиттера транзистора VT2: при снятии выходного сигнала с клемм Г3-Г4 (Г5-Г6) эти цепи задают способ нейтрализации местной отрицательной обратной связи каскада; а при снятии выходного сигнала с клемм Г9-Г10 (Г11-Г12), эти цепи определяют связь усилителя с нагрузкой;

- П7 и П8 позволяют изменять вид и параметры нагрузок усилителя.

33

Делители напряжений (аттенюаторы) на сопротивлениях R1 – R2 и R3 – R4, ослабляющие входные сигналы в 10 раз, введены в состав лабораторного макета во избежание выхода из строя высокочувствительной микросхемы К118УН1 при случайной установке слишком большого уровня напряжения на генераторе сигналов. Заметим, что вольтметр, подключаемый к входным клеммам макета, отображает величину неослабленного входного сигнала1.

Рис. 3.4. Схема лабораторного макета

для исследования усилительного устройства на микросхеме К118УН1.

Номинальные значения элементов схемы, приведенной на рис. 3.4, следующие:

- резисторы: R1=270 Ом, R2=30 Ом, R3=270 Ом, R4=30 Ом, R5=120 Ом, R6=1,2 кОм, R7=12 Ом, R8=120 Ом, R9=1,2 кОм, R10=12 кОм, R11=12 Ом, R12=120 Ом, R13=470 Ом, R14=5,1 кОм, R15=5,1 кОм, R16=1 МОм, R17=47 Ом, R18=470 Ом, R19=470 Ом, R20=5,1 кОм;

- конденсаторы: С1=0,1 мкФ, С2=С3=С4=1 мкФ, С5=0,1 мкФ, С6=С7=С8=1 мкФ, С9=0,1 мкФ, С10=С11=С12=1 мкФ, С13=0,1 мкФ, С14=С15=С16=1 мкФ, С17=1000 пФ, С18=2000 пФ, С19=1000 пФ, С20=0,1 мкФ, С21=1 мкФ, С22=0,1 мкФ, С23=С24=1 мкФ;

- индуктивность L1=2750 мкГн.

1 Во избежание ошибок коррекцию значений входных напряжений “на лету” производить не рекомендуется, – в протоколе везде используются значения UВХ без учета их ослабления! Только при проведении расчетов и построении графиков в отчете следует оперировать теми значениями входных напряжений, которые воздействовали непосредственно на вход микросхемы, т. е. в 10 раз меньшими, чем указано в протоколе.

34

3.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований, получив номер

варианта задания на проведение исследований. Внести в протокол заданные параметры настройки макета, в соответствии с данными табл. 3.1.

2. Подключить источник входного сигнала (генератор гармонических сигналов) и измерительные приборы к макету и задать исходную конфигурацию схемы в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.1 для полученного варианта. После этого включить питание макета и измерительных приборов.

Таблица 3.1 № вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

UВХ Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2 Г1-Г2

UВЫХ Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6 Г5-Г6

П1 3 3 3 3 3 3 3 3 3

П2 1 3 1 3 1 3 1 3 1

П3 1 1 1 1 2 2 2 2 2

П4 1 1 1 1 1 1 1 1 1

П5 3 3 3 3 3 3 3 3 3

П6 3 1 3 1 3 1 3 1 3

П7 3 3 3 3 3 3 3 3 3

П8 2 1 2 1 2 1 2 1 2

3. Снять амплитудную характеристику усилителя в середине полосы

усиления (установив на генераторе сигналов частоту 50 кГц) при заданном сопротивлении нагрузки RН (указать в протоколе значение в соответствии с вариантом конфигурации схемы). Для этого, изменяя уровень входного напряжения UВХ, с шагом, указанным в табл. П3.1, измерять значения выходного напряжения UВЫХ. При появлении нелинейных искажений (когда форма сигнала на экране осциллографа начинает заметно отличаться от гармонической функции) следует делать пометки возле соответствующих значений UВЫХ.

4. Провести измерения для оценивания параметра входного сопротивления усилителя. Для этого, установить частоту входного сигнала на середину полосы усиления (50 кГц) и такой уровень напряжения UВХ на генераторе, при котором не наблюдалось нелинейных искажений UВЫХ (любое значение примерно из середины динамического диапазона, см. результаты измерений по п. 3). Записать уровень выходного напряжения в выбранном исходном состоянии: UВЫХ ИСХ. Далее, установить перемычку П1, задающую цепь связи усилителя с источником входного сигнала, в положение 5 (при этом между генератором входного сигнала и входом усилителя дополнительно включается сопротивление RДОП=R6) и не меняя установленный ранее уровень UВХ, измерить выходное напряжение при наличии дополнительного сопротивления в цепи генератора и занести это

35

значение в протокол (UВЫХ ДОП). По окончании измерений вернуть перемычку на место в соответствии с вариантом из табл. 3.1.

5. Провести измерения для оценивания параметра выходного сопротивления усилителя. Для этого оставив частоту и амплитуду входного сигнала такими же, как и в предыдущем пункте, установить перемычку, задающую сопротивление нагрузки в положение 1, (RН=∞, что соответствует режиму холостого хода), измерить UВЫХ ХХ, и занести это значение в протокол. Значение UВЫХ ИСХ также зафиксировать, оно остается таким же, как в предыдущем пункте. По окончании измерений вернуть перемычку на место в соответствии с вариантом из табл. 3.1.

6. Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя в исходно заданной конфигурации. Для этого, установив такой же уровень напряжения UВХ на генераторе, как и в предыдущем пункте, следует изменять частоту сигнала с шагом, указанным в таблице П3.2, и регистрировать значения UВЫХ, заполняя 1-й столбец для UВЫХ табл.П3.2. При задании каждого значения частоты следует проверять, не изменилось ли UВХ, и если изменилось, нужно подстраивать его к исходно заданному уровню, отмеченному в протоколе.

7. Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, изменив конфигурацию цепи обратной связи при помощи одной из перемычек в соответствии с номером варианта задания, указанном в табл 3.2.

Таблица 3.2

№ вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Конфиг. П4=2 П4=3 П4=4 П4=2 П4=3 П4=4 П4=2 П4=3 П4=4

Далее, снять АЧХ по методике, примененной в предыдущем пункте, сохранив ранее установленное значение UВХ. Результаты измерений занести в таблицу П3.2, заполняя её 2-й столбец для UВЫХ. По окончании измерений вернуть перемычку в первоначальное состояние в соответствии с табл. 3.1.

8. Исследовать влияние величины параметров связи с нагрузкой на амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для этого, при том же уровне входного сигнала, что и в предыдущем пункте, подключить комплексную нагрузку, установив переключатель П7 в положение 4 (нагрузкой усилителя окажется параллельно соединенные сопротивление и емкость) и снять АЧХ на частотах, заданных в табл. П3.2. Результаты измерений занести в табл. П3.2, заполняя ее последний столбец.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

3.4. Содержание отчета Отчет должен содержать: 1. Формулировку цели работы и электрическую схему исследуемого

усилителя с подключенными навесными элементами (рис. 3.4), с обязательным указанием номинальных значений электронных компонентов схемы. Данные из столбца таблицы 3.1 для своего номера варианта задания.

36

2. Формулы (3.1) и (3.2) с необходимыми пояснениями. 3. Таблицы с результатами экспериментальных исследований и

теоретическими расчетами. Таблицу П3.2 следует дополнить столбцами с рассчитанными параметрами 1) коэффициента усиления KU (по формуле KU=(10⋅UВЫХ/UВХ), − здесь множитель 10 учитывает влияние ослабления входного сигнала перед подачей на микросхему и 2) коэффициента усиления, выраженного в децибелах KU dB=20⋅Lg(KU) для каждого значения частоты.

4. Графики полученных зависимостей: - амплитудную характеристику усилителя, построенную по данным

табл. П3.1 (по ней также следует определить коэффициент усиления); - рассчитанные значения входного и выходного сопротивления усилителя,

по формулам:

,ДОПВЫХИСХВЫХ

ДОПВЫХДОП

BХ UU

URR

−=

( ),

ИСХВЫХ

ИСХВЫХХХВЫХHВЫХ U

UURR

−=

- семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя KU dB(f) по

данным таблицы П3.2, на одном графике (всего окажется 3 графика при различных значениях конфигурации схемы; конфигурация должна быть подробно расписана для каждого графика в подрисуночной подписи), по оси частот нужно использовать логарифмический масштаб.

5. Выводы по работе (в письменной форме), отражающие наблюдаемые на графиках особенности исследованного каскада, в частности:

- каков динамический диапазон входных сигналов исследованного устройства;

- согласуются ли результаты расчетов RВХ и RВЫХ с теоретическими оценками для маломощных транзисторных каскадов, включенных по схеме ОЭ

- как влияет конфигурация усилителя на его АЧХ (сравнить 3 графика, указав соответствие между вносимыми в схему изменениями и характером соответствующих изменений АЧХ).

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный

преподавателем. 3.5. Контрольные вопросы 1. Объясните назначение каждого элемента схемы типового усилительного

каскада на биполярном транзисторе (рис. 3.1). 2. Перечислите виды межкаскадных связей и дайте их сравнительную

характеристику. 3. Объясните назначение отрицательной обратной связи по постоянному и

переменному току и схемотехнические способы ее реализации. 4. Изложите методику анализа частотных характеристик усилителя с

резистивно-емкостными межкаскадными связями.

37

5. Перечислите способы изменения коэффициента усиления усилительного каскада на биполярном транзисторе.

6. Объясните методику измерения входного и выходного сопротивления электронного устройства.

7. Объясните наблюдаемый характер нагрузочной характеристики. 8. Объясните наблюдаемый характер экспериментально снятой АЧХ

усилителя в области низких частот. 9. Объясните наблюдаемый характер экспериментально снятой АЧХ

усилителя в области высоких частот. 10. Сравните расчетную и экспериментальную АЧХ, укажите возможные

причины их отличия. 11. Перечислите способы низкочастотной коррекции амплитудно-частотной

характеристики транзисторных усилителей. 12. Перечислите способы высокочастотной коррекции амплитудно-

частотной характеристики транзисторных усилителей. 13. Математически поясните переход от формулы (3.1) к формуле (3.2). 14. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя

подключение блокировочной емкости между выводом 11 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

15. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 2 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

16. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 5 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

17. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ исследованного усилителя подключение блокировочной емкости между выводом 12 и общим проводом (требуется нарисовать 2 АЧХ: исходную и с подключенной емкостью).

Библиографический список 1. Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. М.: Горячая

Линия Телеком, 2004. 352 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая

электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

3. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник. / В.Н. Павлов и др. М.: Горячая Линия Телеком, 2001. 320 с.

4. Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник / И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. М.: КУБК-а, 1996. С. 24 - 27.

5. Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные интегральные схемы: Руководство по анализу и расчету: Пер. с англ. М.: Мир, 1992. 560 с.

6. Чадович И.И. Типовые усилительные каскады: Учеб. пособие. СПб: РИО ГААП, 1992. 53 с.

7. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 (макет №21) ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО

УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА МИКРОСХЕМЕ К174УН4Б Цель работы: исследование принципов действия, технической реализации

и основных характеристик усилителя мощности на микросхеме К174УН4Б. 4.1. Методические указания по подготовке к работе К усилителям мощности (УМ) обычно относят усилительные устройства с

мощностью выходного сигнала более 0.5 Вт. Свойства и характеристики усилителя во многом определяются способом выполнения цепей связи оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. По этому признаку различают бестрансформаторные усилители мощности и усилители мощности с трансформаторным выходом (см. лабораторную работу №5). Бестрансформаторные УМ имеют много достоинств: малые габариты и масса, широкая полоса рабочих частот, и т. д., что предопределило их широкое распространение в тех приложениях, где можно обойтись без трансформаторной связи. Бестрансформаторные усилители со сравнительно небольшой выходной мощностью (до нескольких десятков ватт) в настоящее время выпускаются многими фирмами в виде интегральных микросхем.

Микросхема К174УН4Б (полный отечественный аналог микросхемы TAA300 фирмы “Philips”) представляет собой усилитель мощности диапазона звуковых частот с номинальной выходной мощностью 1 Вт. Принципиальная схема микросхемы приведена на рис. 4.1.

Микросхема выполнена выпускается в корпусе типа 201.9-1. Назначение выводов микросхемы К174УН4Б следующее:

- вывод 1: управление стабилизатором тока; - вывод 2: для подключения цепи обратной связи; - вывод 3: "лепесток" для соединения с теплоотводящим радиатором; - вывод 4: входной сигнал; - вывод 5: для подключения цепи корректирующего фильтра; - вывод 6: для подключения цепи вольтодобавки; - вывод 7: напряжение питания (+9 В); - вывод 8: выход усилителя мощности; - вывод 9: общий провод. Входной каскад усилителя построен по дифференциальной схеме на

транзисторах VT3, VT5. Постоянное смещение на базу транзистора VT3 подается через резистор R3. Транзисторы VT1 и VT2 обеспечивают стабилизацию напряжения смещения при воздействии на микросхему дестабилизирующих факторов (изменений температуры, напряжения питания и т. д.).

Выходной сигнал дифференциального каскада поступает на базу транзистора VT6, нагрузкой которого служит двухполюсник, образованный транзисторами VT7, VT8 и резистором R8. Подобная конфигурация нагрузки также стабилизирует коэффициент усиления каскада при изменениях температурного режима микросхемы.

39

Рис. 4.1. Внутренняя структура микросхемы К174УН4Б.

Далее сигнал поступает на каскад, на транзисторах VT9, VT10,

соединенных по схеме Дарлингтона, что обеспечивает высокое усиление каскада. Выходной каскад состоит из двух плеч: верхнее плечо образовано

транзисторами VT14, VT15, нижнее транзисторами VT12, VT16. Выходной сигнал образуется за счёт противофазного изменения проводимостей плеч: когда проводимость верхнего плеча увеличивается, то проводимость нижнего уменьшается, и выходное напряжение увеличивается; и наоборот. При этом сквозной ток, протекающий через транзисторы плеч от источника питания схемы, изменяется мало при любой амплитуде выходного сигнала. Такое решение вообще характерно для выходных каскадов бестрансформаторных УМ.

Необходимое противофазное управление плечами выходного каскада обеспечивается каскадом на транзисторе VT11. Действительно, если предположить, что на определенной полуволне входного сигнала коллекторный ток составного транзистора VT9 – VT10, например, увеличился, то это вызовет уменьшение напряжения на коллекторе VT10 (т. е. и на базе транзистора VT14), следовательно, уменьшится базовый ток транзистора VT14; в конечном итоге, уменьшится коллекторный ток транзистора VT15: проводимость верхнего плеча уменьшилась. С другой стороны при увеличении тока транзистора VT10 уменьшится и напряжение и точке соединения резисторов R9 – R10 (т. е. и на базе транзистора VT11). Транзистор VT11 имеет структуру p-n-p и включен таким образом, что уменьшение положительного потенциала его базы ведет к увеличению разности потенциалов на его базово-эмиттерном переходе, ток его коллектора возрастает, и, как видно из схемы, этот же ток является базовым током для транзистора VT12 в нижнем плече оконечного каскада. В итоге коллекторный ток транзистора VT16 увеличится: проводимость нижнего плеча увеличилась.

40

Номинал резистора R10 определяет порог открывания плеч, и выбран таким образом, что при отсутствии входного сигнала напряжение на нём таково, что базовые токи транзисторов VT14 и VT12 примерно одинаковы и довольно малы по величине. Это означает, что сквозной ток через плечи выходного каскада при отсутствии выходного сигнала будет тоже малым, что обусловливает высокую экономичность работы микросхемы. Транзисторы выходного каскада при этом работают в режиме класса B (подробнее о режимах транзисторов в УМ можно прочитать в теоретической части описания лабораторной работы №5).

Типовая схема включения микросхемы К174УН4Б приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Типовая схема усилителя мощности на основе микросхемы К174УН4Б.

Резистор R14, совместно с внешней цепочкой, подключаемой между

выводом 2 микросхемы и общим проводом, образует цепь отрицательной обратной связи с выхода усилителя на базу транзистора VT5. Это позволяет уменьшить уровень нелинейных искажений типа "ступенька", характерные для работы выходного каскада исследуемой микросхемы. Из сравнения рис. 4.1 и 4.2, можно заметить аналогию построения цепи ОС со схемой, применяемой с операционными усилителями (см. лабораторную работу №1). Здесь роль RОС− играет R14, а роль R− внешняя цепочка между выводом 2 и общим проводом (она образована последовательным соединением резистора RОС и конденсатора СОС). Таким образом, чем меньше сопротивление внешней цепочки, тем меньшая часть выходного сигнала подаётся в цепь отрицательной обратной связи, т. е. тем больше будет коэффициент усиления УМ на основе микросхемы К174УН4Б.

Входной сигнал подаётся на микросхему через разделительный конденсатор СР1. Нагрузка усилителя мощности RН может подключаться как между выводом 6 и источником питания, так и через разделительный конденсатор СР2 между выводом 8 и общим проводом. Дополнительные компоненты схемы: конденсатор вольтодобавки СВД, демпфирующая цепь RД – СД, блокировочный конденсатор СБЛ, необходимы для обеспечения устойчивой работы схемы.

41

4.2. Описание лабораторной установки Лабораторная установка выполнена в виде макета, схема которого

приведена на рис. 4.3. Гнезда X1 – X8 предназначены для подключения приборов к входу и выходу исследуемого УМ: генератора гармонических сигналов, двух вольтметров и осциллографа. Включение и выключение электропитания осуществляется тумблером, размещенным в нижнем левом углу лицевой панели макета. Режимы работы исследуемой микросхемы K174УН4Б можно изменять при помощи переключателей П1 – П4.

Рис. 4.3. Схема лабораторного макета. Переключением П1 можно изменять величину емкости разделительного

конденсатора во входной цепи усилителя CР1, и она может принимать значения С1=1500 пФ, С2=10 нФ, С3=1 мкФ.

Переключателем П2 можно изменять коэффициент отрицательной обратной связи в усилителе мощности К174УН4Б, который зависит от сопротивления делителя R14 − RОС в цепи отрицательной обратной связи (роль RОС играет резистор RЗ или R4, СОС конденсатор С5). Положению П2=1 соответствует меньший коэффициент передачи обратной связи (подключен R3=1.3 кОм), положению П2=2 больший коэффициент передачи (подключен R4=2.7 кОм).

Переключением П3 можно изменять характер нагрузки. Параметры нагрузок: R6=5 Ом, R7=6 Ом, R8=8 Ом, R9=8 Ом, С7=0,1 мкФ, С8=1 мкФ.

Переключателем П4 осуществляется подключение нагрузки к выходу усилителя по одной из двух стандартных схем: когда П4=1, то нагрузка

42

включается между выходом усилителя и шиной питания, а когда П4=2 схема, в которой нагрузка включена между выходом и общим проводом.

При обработке результатов измерений необходимо учитывать, сигнал, подаваемый с генератора сигналов на вход макета, попадает на микросхему через резистивный делитель R1-R2, уменьшающий величину входного напряжения в 10 раз, что сделано с целью защиты микросхемы от электрических перегрузок.

4.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований. 2. Подключить генератор сигналов к клеммам X1-X2; первый вольтметр

переменного тока к клеммам X3-X4; второй вольтметр переменного тока к клеммам X5-X6 и осциллограф к X7, X8. После этого включить питание макета и приборов. Переключатель П1 установить в положение 3 (входной сигнал подается на микросхему через разделительный конденсатор C3=1 мкФ), переключатель П3 в положение 2 (при этом выбрана нагрузка RН =R7= 6 Ом).

3. Исследовать амплитудные характеристики усилителя на частоте 1 кГц в следующих конфигурациях схемы:

а) П2 в положении 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П4 в положении 1; б) П2 в положении 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П4 в положении 2; в) П2 в положении 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П4 в положении 2. Сравнение результатов п.п. ”а” и ”б” позволит оценить влияние способа

подключения нагрузки на амплитудную характеристику усилителя, а сравнение результатов п.п. ”б” и ”в” позволит оценить влияние на неё глубины ОС.

В каждой из трех указанных конфигураций следует, изменяя уровень входного напряжения UВХ, измерять значения UВЫХ. Результаты заносить в протокол в табл. П4.1. При появлении нелинейных искажений (когда форма сигнала на экране осциллографа заметно отличается от гармонической функции) следует сделать пометки возле соответствующих значений UВЫХ. Нужно иметь в виду, что когда микросхема К174УН4Б испытывает значительные электрические перегрузки, её выходное напряжение может стать нестабильным по амплитуде. Это связано с особенностями построения электрической схемы микросхемы: при возникновении нелинейных искажений типа “одностороннее ограничение”, сигнал, проходящий по цепи обратной связи, подстраивает рабочую точку каскада на транзисторе VT5 таким образом, чтобы симметрировать режимы работы плеч выходного каскада. Подстройка продолжается до тех пор, пока искажения или устранятся вовсе или станут симметричными. Процесс подстройки при появлении искажений хорошо виден на осциллограмме. Если перегрузка значительная, то этот процесс может затянуться, и в течение значительного времени выходное напряжение будет изменяться; тогда измерения производить не нужно.

4. Снять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя при различных конфигурациях схемы, изменяя положения переключателей П2 − П4:

а) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 2 (RН =R7= 6 Ом), П4 = 1; б) П2 = 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П3 = 2 (RН =R7= 6 Ом), П4 = 1; в) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 3 (нагрузкой усилителя будут параллель-

но соединенные R8=8 Ом и С7=0.1 мкФ); П4 = 1;

43

г) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 4 (нагрузкой усилителя будут параллель-но соединенные R9=8 Ом и С8=1 мкФ), П4 = 1;

д) П2 = 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П3 = 4 (нагрузкой усилителя будут параллель-но соединенные R9=8 Ом и С8=1 мкФ), П4 = 1.

Сравнение результатов п.п. ”а” и ”б”, а также п.п. ”г” и ”д” позволит оценить влияние глубины обратной связи на АЧХ усилителя; сравнение результатов п.п. ”а”, ” в” и ”г”, а также п.п. ”б” и ”д” позволит оценить влияние на неё вида нагрузки.

Для каждой из пяти конфигураций схемы, установив такой уровень напряжения UВХ на генераторе, при котором ни в одной из схем, исследованных в п. 3, не было зарегистрировано нелинейных искажений сигнала на выходе, следует изменять частоту сигнала во всем диапазоне используемого генератора сигналов, и регистрировать значения UВЫХ. Результаты заносить в протокол в таблицу П4.2. При задании каждого значения частоты следует проверять, не изменилось ли входное напряжение, и если изменилось, нужно подстраивать его к исходно заданному уровню, отмеченному в протоколе.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

4.4. Оформление отчета Отчет должен содержать: 1. Формулировку цели работы и принципиальную электрическую схему

исследуемого усилителя, собранного на основе микросхемы К174УН4Б (рис. 4.3). 2. Таблицы с результатами экспериментальных исследований и расчетов.

Таблицу П4.2 для каждой из исследованных конфигураций схемы следует дополнить рассчитанными значениями коэффициента усиления, выраженного в децибелах KU dB=20⋅Lg(10⋅UВЫХ/UВХ) при каждом значении частоты (здесь множитель учитывает влияние ослабления входного сигнала делителем напряжения R1 − R2).

3. Графики полученных зависимостей: - семейство амплитудных характеристик усилителя мощности,

построенных при разных конфигурациях схемы (по данным табл. П4.1) на одном графике, при построении по обеим осям следует использовать логарифмический масштаб;

- семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя KU dB(f) по данным таблицы П4.2 на одном графике (всего окажется 5 графиков при различных значениях параметров схемы), по оси частот необходимо использовать логарифмический масштаб.

4. Выводы по работе (в письменной форме), отражающие наблюдаемые различия характеристик при различных конфигурациях схемы:

- как изменяется амплитудная характеристика при изменении глубины отрицательной обратной связи;

- как изменяется амплитудная характеристика при изменении способа подключения нагрузки к выходу усилителя мощности;

44

- какой характер имеет АЧХ исследованного усилителя; - как влияет на АЧХ изменение глубины обратной связи; - как влияет на АЧХ изменение характера нагрузки. В заключение желательно провести обзор современных микросхем УМ и

сравнить их характеристики с характеристиками микросхемы К174УН4Б. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный

преподавателем. 4.5. Контрольные вопросы 1. Почему в схемах усилителей мощности используется отрицательная

обратная связь, несмотря на то, что она уменьшает коэффициент усиления? 2. Какие схемотехнические решения используются в выходных каскадах

интегральных усилителей мощности? 3. Какое влияние оказывает отрицательная обратная связь на амплитудно-

частотную характеристику усилителя и почему? 4. Как влияет характер нагрузки на характеристики усилителя? Объясните

причины отмеченного влияния. 5. Поясните основные принципы построения интегральных усилителей

мощности по принципиальной схеме, приведенной на рис. 4.1. 6. Для чего во входной цепи исследуемой микросхемы установлен

разделительный конденсатор? 7. Проанализируйте, как может повлиять изменение значения емкости

разделительного конденсатора на характеристики схемы. 8. Что такое схема Дарлингтона, почему она обеспечивает большое

усиление каскада? 9. Анализируя внутреннюю структуру микросхемы, докажите, что обратная

связь через R14 внутри микросхемы является отрицательной. 10. Покажите цепи подачи смещения на базу входного транзистора (VT3) в

составе микросхемы K174УН4Б. 11. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ изменение емкости

конденсатора CP1 на типовой схеме включения микросхемы (рис. 4.2). 12. Проанализируйте, как повлияет на АЧХ изменение емкости

конденсатора CБЛ на типовой схеме включения микросхемы (рис. 4.2). 13. Какие схемотехнические приёмы используются для стабилизации

режимов транзисторных каскадов в бестрансформаторных УМ? Библиографический список. 1. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник.

/ В.Н. Павлов и др. М.: Горячая Линия Телеком, 2001. 320 с. 2. Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник / И.В. Новаченко,

В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. М.: КУБК-а, 1996. С. 105 - 106. 3. Микросхемы УМЗЧ для переносных компьютеров и игрушек

// Компоненты и технологии. 2005, №1. С. 42 - 47. 4. Электросхемы.ру. Словари, схемы, справочники, даташиты.

// URL: http://www.electroscheme.ru/index.html.

45

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 (макет №5) ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВЫХОДОМ Цель работы: изучение свойств транзисторных усилителей мощности с

трансформаторным выходом, работающих в режимах классов А, АВ и В и их сравнительный анализ.

5.1. Методические указания по подготовке к работе К усилителям мощности (УМ) обычно относят усилительные устройства с

мощностью выходного сигнала более 0.5 Вт. Свойства и характеристики усилителя во многом определяются способом выполнения цепей связи оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. По этому признаку различают бестрансформаторные УМ (см. лабораторную работу №4) и УМ с трансформаторным выходом. Несмотря на неоспоримые достоинства бестрансформаторных усилителей, как-то: малые габариты и масса, более широкая полоса рабочих частот, и т. д., существуют ситуации, в которых использование УМ с трансформаторной связью оказывается предпочтительным, а то и единственно возможным вариантом. В частности, на основе мощного каскада УМ с трансформаторным выходом часто строятся преобразователи питания (т. н. инверторы), позволяющие вырабатывать переменное напряжение из постоянного, с гальванической развязкой между первичным и вторичным источником; других решений этой задачи просто не существует. Кроме того, трансформаторные каскады получили распространение при построении мощных усилителей высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов.

Основное назначение трансформатора в усилителе мощности состоит в согласовании выходного сопротивления оконечного каскада УМ с нагрузкой (как известно, максимальная мощность в нагрузке выделяется при равенстве выходного сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки).

В мощных выходных каскадах УМ могут использоваться различные схемы включения транзисторов в зависимости от необходимых качеств усилительного устройства. Транзисторные каскады с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивают максимальное усиление по мощности по сравнению с другими (общая база, общий коллектор); каскад УМ при включении транзисторов с общим коллектором обеспечивает наименьшее выходное сопротивление, и т. д.

На рис. 5.1,а изображена схема однотактного выходного каскада УМ на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, который работает в режиме класса А или АВ. Резистивный делитель R1 – R2 задаёт потенциал базы транзистора относительно общего провода (т. н. напряжение смещения). Токостабилизирующий резистор RЭ обеспечивает отрицательную обратную связь по току в пределах каскада, за счет чего повышается стабильность его режима по постоянному току при действии дестабилизирующих факторов (как-то: изменение температуры окружающей среды, напряжения питания и т. п.). Чтобы уменьшить влияние отрицательной обратной связи для сигналов рабочего диапазона частот (отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления каскада),

46

параллельно резистору RЭ включен конденсатор СЭ. При правильно выбранном номинале СЭ модуль его сопротивления для переменной составляющей тока коллектора транзистора оказывается много меньшим по сравнению с RЭ, соответственно, общее сопротивление в цепи эмиттера для сигналов рабочего диапазона частот оказывается малым, и отрицательная обратная связь почти не действует.

а) б)

Рис. 5.1. Схема однотактного выходного каскада (а) и его линия нагрузки (б). Режим работы транзисторного каскада по постоянному току определяется

выбором напряжения источника питания EК, параметров цепей смещения на базу (R1 и R2) и сопротивлением постоянному току R= в коллекторной и эмиттерной цепи транзистора. Последнее определяется суммарным сопротивлением первичной обмотки трансформатора rI и сопротивлением резистора RЭ:

R= = rI + RЭ.

Чтобы определить положение рабочей точки транзистора при отсутствии

сигнала на входе, необходимо построить нагрузочную прямую для этого значения R= по двум точкам: первая находится на оси абсцисс (точка с координатами {U КЭ=ЕК, IК=0}), а вторая на оси ординат (точка {UКЭ=0, IК=ЕК/R=}) Это т. н. статическая линия нагрузки. Начальная рабочая точка "PTA" будет находиться на этой прямой в месте, определяемом выбором напряжения смещения на базе транзистора: в точке пересечения выходной характеристики, соответствующей заданному значению базового тока покоя и построенной нагрузочной прямой. Координаты рабочей точки на плоскости графика означают, что при отсутствии входного сигнала через транзистор будет протекать коллекторный ток величиной IКА, а на его коллекторе будет напряжение UКА. При малых значениях R= (а его значение обычно действительно мало, исчисляется единицами ом) нагрузочная прямая будет проходить практически вертикально (линия 1 на рис. 5.1,б) и напряжение UКА будет близким к EК при любом токе базы транзистора.

47

Динамическая линия нагрузки трансформаторного усилительного каскада проходит через выбранную рабочую точку "PTA", и точку, находящуюся на оси ординат с координатами {I K=ЕК/RН', UКЭ=0}. Координаты этой второй точки, определяются т. н. приведенным к коллекторной цепи сопротивлением нагрузки RН', которое формально определено как отношение амплитудных значений напряжения на коллекторе транзистора и его коллекторного тока: RН'=Um/Im. Если проанализировать свойства трансформатора, то можно показать, что

RН' = RН/n2,

где n коэффициент трансформации выходного согласующего трансформатора, а RH реальное сопротивление нагрузки, подключенной к УМ.

Коэффициент трансформации выходного трансформатора выбирается таким образом, чтобы обеспечить равенство выходного сопротивления транзисторного каскада приведенному сопротивлению нагрузки: Ri=RН'. Выходное сопротивление Ri каскадов, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером, исчисляется обычно сотнями ом, поэтому для получения максимальной мощности в низкоомной нагрузке (как правило, сопротивления нагрузок УМ исчисляются единицами-десятками ом) приходится использовать понижающий трансформатор. Неизбежное уменьшение выходного напряжения при этом компенсируется значительным увеличением тока через сопротивление нагрузки RН, и мощность, выделяемая в нагрузке, оказывается максимальной.

Из вышеизложенного ясно, что RН'>>RН; кроме того, на практике выполняется и RН'>>R=, этим объясняются взаимные соотношения между расположением статической (линия 1) и динамической линии нагрузки (линия 2) на рис. 5.1, б. При подаче входного сигнала изменяется ток базы транзистора, а за ним и значения тока коллектора транзистора IK и напряжения UКЭ; при этом всё возможное для данного каскада множество пар значений {I K, UКЭ} задаёт динамическая линия нагрузки, независимо от вида входного сигнала.

При выборе типа транзистора для выходного каскада УМ актуальным показателем выступает мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора (т. н. мощность потерь PK) и амплитудные значения тока коллектора и напряжения на коллекторе. Допустимое значение мощности PK на плоскости графика ограничено областью, где UКЭIК<РК.МАХ (РК.МАХ предельно допустимая рассеиваемая мощность транзистора, разная у разных транзисторов). Граница области допустимого сочетания UКЭ и IК на выходных характеристик транзистора имеет вид гиперболы. Динамическая линия нагрузки не должна пересекать эту границу. Также, при любом входном сигнале амплитудные значения UКЭ и IК также не должны превышать предельно допустимых для используемого в УМ транзистора значений, в противном случае он может выйти из строя. Известно, что при оптимальном согласовании выходного сопротивления каскада с нагрузкой (т. е. при RН'=Ri) угол наклона динамической линии нагрузки таков, что точка пересечения ею оси абсцисс имеет координаты {I K=0, UКЭ=2EK}; иными словами, амплитудное значение напряжения на коллекторе транзистора при больших входных сигналах может достигать 2EK. При нарушении режима согласования,

48

когда RН'>>Ri, угол наклона динамической линии нагрузки станет ещё меньше и напряжение UКЭ в принципе может превысить EK во много раз. Поэтому отключение нагрузки RН от вторичной обмотки трансформатора может вызвать опасные выбросы напряжения в коллекторной цепи, и это обязательно учитывается при выборе транзистора для УМ с трансформаторным выходом.

При подаче на вход УМ некоторого сигнала базовый ток транзистора изменяется в соответствии с поданным сигналом, и рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки от положения рабочей точки покоя. Предельные положения рабочей точки обозначены на рисунке как "N" (находится на нижней ветви семейства выходных характеристик транзистора) и “M” ( находится на линии критического режима, когда транзистор находится на границе насыщения). Условие максимального использование транзистора в УМ состоит в том, чтобы задать исходную рабочую точку покоя "PTА" посередине между точками N и M.

Максимальная отдаваемая мощность однотактного трансформаторного УМ, работающего в режиме класса А, определяется выражением

РВЫХ = 0.5 ImUm.

Мощность, потребляемая усилителем мощности от источника питания, вычисляется по формуле

P0 = EК IКА

В итоге, максимально возможное значение коэффициента полезного

действия (КПД) однотактного УМ, работающего в режиме класса А, при больших уровнях сигнала (или, как иногда говорят, “при полном возбуждении каскада”, когда рабочая точка доходит до предельных положений N и М), всегда оказывается меньше 50 %:

ηА = РВЫХ / P0 = 0.5 UmIm/EKIKА < 0.5.

А при малых уровнях входного сигнала КПД оказывается намного меньше.

С физической точки зрения причина низкого КПД кроется в нерациональном расходовании энергии источника питания даже тогда, когда входного сигнала нет.

Дополнительным фактором, уменьшающим значение мощности в нагрузке и КПД усилителя мощности, выступает КПД выходного трансформатора.

Энергетически более выгодными оказываются УМ, работающие в режиме класса АВ, когда рабочая точка выбирается на линии динамической нагрузки ближе к точке N, чем к M, следовательно, ток покоя (при отсутствии входного сигнала) при прочих равных условиях будет меньше, чем в классе А. И ещё более экономичным оказывается каскад УМ, в котором транзистор работает в режиме класса В, когда ток покоя почти равен нулю (рабочая точка при отсутствии сигнала в этом режиме выбирается в точке N).

Однако, однотактный усилитель, работая в режимах AB и В, при полном возбуждении каскада отсекает часть полуволны гармонического сигнала, внося

49

тем самым в сигнал недопустимые нелинейные искажения. Этот недостаток устраняется в двухтактной схеме выходного каскада усилителя мощности.

В двухтактной схеме УМ используются два транзистора, которые работают в противофазе: когда ток одного из них увеличивается, ток другого уменьшается. Это достигается за счёт противофазного управления базовыми токами транзисторов посредством дифференциального трансформатора: напряжения на его крайних выводах всегда имеют противоположные полярности относительно средней точки. Работа транзисторов в противофазе гарантирует отсутствие отсечки полуволн входного напряжения: даже если один из транзисторов в какой-то момент времени окажется закрытым, другой обязательно будет открыт, а при смене полярности входного напряжения они поменяются ролями. И, например, при настройке УМ в класс В, на положительную полуволну входного напряжения будет реагировать один транзистор, а другой окажется запертым; на отрица-тельную же полуволну будет реагировать другой, а первый при этом закроется. Выходные токи транзисторов протекают по двум половинам дифференциальной обмотки выходного трансформатора, за счёт чего происходит вычитание магнитных потоков, образующихся в сердечнике трансформатора. При этом из двух полуволн одной и той же полярности, образованных коллекторными токами транзисторов (оба транзистора работают от одного и того же источника питания) в нагрузке образуется разностный сигнал, в котором полуволны имеют разную полярность, как и у входного сигнала переменного тока.

Предельно упрощенная схема двухтактного выходного каскада усилителя мощности с трансформаторным выходом, работающего в режиме класса В, показана на рис. 5.2,а. Особенность схемы в том, что в ней нет цепей подачи смещения в базы транзисторов, так что при отсутствии сигнала на входе усилителя коллекторные токи транзисторов почти равны нулю, что и является главным условием работы транзисторов в классе В.

а) б)

Рис. 5.2. Схема двухтактного выходного каскада (а) и его линия нагрузки (б). Динамическая характеристика для одного плеча рассматриваемого

приведена на рис. 5.2,б. Она проходит через рабочую точку "PTB", которая выбирается на нижней ветви семейства выходных характеристик транзистора и

50

имеет наклон, определяемый приведенным сопротивлением RН', отнесенным к половине первичной обмотки трансформатора Т2.

В соответствии с рис. 5.2,б приведенное сопротивление нагрузки на один транзистор равно

RН' = (EК – UК MIN)/(Im – IK MIN) ≈ EK/Im.

Мощность выходного сигнала переменного тока, отдаваемая одним

транзистором в нагрузку, определяется формулой

РВЫХ = ImEК/4. Мощность постоянного тока, потребляемая от источника питания одним

транзистором, вычисляется по формуле Р0 = IК ср. EК, где IК ср. среднее значение тока коллектора транзистора за один период T выходного сигнала:

( )∫=T

0Kcp.K .dttI

T

1I Легко показать, что в классе В при ( )

⋅π⋅= tT

2sinItI mK

получается Р0 = ImEК/π,

Соответственно, КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса В,

при полном возбуждении каскада составит

ηВ = РВЫХ/Р0 = π/4 ≅ 0.78. Мощность, рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора схемы,

рассчитывается по формуле:

PК = Р0 – РВЫХ = ImEК⋅(1/π − 1/4). При максимальной амплитуде тока Im мощность рассеивания достигает

максимального значения и рассчитывается по формуле .R

E1P

H

2K

2maxK ′⋅

π=

Исключительно важным достоинством каскада, работающего в режиме класса В, является то, что при отсутствии входного сигнала УМ практически не потребляет энергии от источника питания (т. к. ток покоя транзисторов в рабочей точке почти равен нулю). Кроме того, при работе усилителя рассеиваемая на транзисторах мощность существенно меньше, чем в классе А, конечно, при прочих равных условиях.

Серьезным недостатком работы транзисторов УМ в режиме класса В является сравнительно высокий коэффициент нелинейных искажений, особенно заметных при малых амплитудах сигнала (известные как искажения типа "ступенька", показанные на рис. 5.3). Их появление связано с тем, что при малых

51

Рис. 5.3. Искажения типа “ступенька”.

токах базы коэффициент передачи тока любого транзистора существенно уменьшается, и в результате составляющие входного сигнала малой амплитуды будут усиливаться меньше, чем составляющие большей амплитуды. Для снижения уровня искажений типа “ступенька” в двухтактных каскадах УМ применяют промежуточный режим класса АВ, он осуществляется подачей небольшого смещения на базы обоих транзисторов посредством резисторного делителя, аналогичного R1 − R2 на рис. 5.1,а. При этом исходная рабочая точка покоя займет промежуточное положение между рабочими точками классов А и В.

5.2. Описание лабораторной установки Электрическая схема лабораторного макета приведена на рис. 5.4. Он

позволяет исследовать как однотактные, так и двухтактные трансформаторные каскады усиления мощности на транзисторах в режимах классов А, В и АВ.

Рис. 5.4. Схема лабораторной установки.

На входе и выходе схемы установлены понижающие трансформаторы: T1 с

коэффициентом трансформации n1 = 0.1 и трансформатор T2 с n2 = 0.25.

52

Режимы работы транзисторов УМ устанавливаются потенциометром R2, который задает базовые токи транзисторов при отсутствии входного сигнала. Когда ползунок резистора R2 оказывается в нижнем по схеме положении, базовые выводы транзисторов оказываются соединенными с общим проводом через малые сопротивления половин вторичной обмотки трансформатора T1, базовые токи транзисторов будут близки к нулю, и УМ будет работать в классе B. Если же ток покоя задан отличным от нуля, то, в зависимости от его величины, УМ будет работать либо в классе А, либо в классе AB.

Миллиамперметры в цепях коллекторов транзисторов VT1 и VT2 включены для измерения их коллекторных токов IK1 и IK2, по этим миллиамперметрам можно как задавать положение рабочих точек транзисторов при отсутствии сигнала, так и определять токи в их цепях при подаче сигналов на вход УМ.

Переключателем SA1 осуществляют переключение между однотактной (работать будет только транзистор VT1) и двухтактной схемами УМ. Переключатель SA2 позволяет немного изменять схему усилительного каскада посредством включения/выключения токостабилизирующего резистора RЭ в цепи эмиттера транзистора однотактного каскада (в схеме на рис. 5.4 функции токостабилизирующего резистора в каскаде на VT1 выполняет R3, в каскаде на VT2 R4). Переключателем SA3 производится выбор сопротивления нагрузки усилителя мощности.

В схеме макета УМ использованы резисторы: R1=1.3 кОм, R2=365 Ом, R5=R6=R7=R8=R9=R10=R11=4 Ом, R3=R4=2.65 Ом. Питание УМ осуществляется от стабилизированного источника напряжением EК=15 В.

Для проведения исследований используются генератор стандартных сигналов, 2 электронных вольтметра переменного тока и осциллограф.

5.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований. 2. Подключить приборы к макету: - к гнездам Х1-Х2 подключается генератор гармонических сигналов; - к гнездам Х3-Х6 вольтметр для измерения входного напряжения,

подаваемого на УМ; - к гнездам X7-X8 вольтметр для измерения выходного напряжения; - к гнездам Х9-Х10 осциллограф. После этого включить питание приборов и лабораторного макета. 3. Исследовать однотактный УМ, работающий в режиме класса А без

токостабилизирующего резистора. Для задания нужной конфигурации схемы, следует установить переключатели макета в положения: SА1 в 1, SА2 в 1, SAЗ в 4, после чего настроить УМ в режим А, выполнив следующие действия:

• пользуясь ступенчатым (с пометкой “dB”) и плавным регуляторами амплитуды напряжения генератора гармонического сигнала, снизить его выходное напряжение до минимально возможного значения (при недостаточном опыте работы с генератором для контроля нужно использовать вольтметр, подключенный к клеммам Х3-Х6);

53

• потенциометром R2 установить ток покоя коллектора транзистора VT1 IK = 120 мА (условие режима класса А для однотактного каскада), ток IK контролируется встроенным в макет амперметром);

• установить частоту сигнала генератора, равную 1000 Гц. Далее выполнить следующий ряд измерений: а) Снять зависимость выходного напряжения UВЫХ и тока коллектора IK от

величины входного напряжения UВХ. Частота сигнала генератора остаётся при этом неизменной. В процессе измерений заполнять таблицу П5.1. При занесении значений UВЫХ в таблицу нужно следить за формой выходного колебания по осциллографу, в случае появления заметных нелинейных искажений (любое отличие формы сигнала от гармонической функции), обязательно делать в протоколе какую-нибудь пометку возле цифровых значений UВЫХ.

б) Снять нагрузочную характеристику усилителя мощности (зависимость выходного напряжения UВЫХ от сопротивления нагрузки RН при неизменном входном напряжении UВХ). Напряжение UВХ установить таким, при котором не наблюдалось нелинейных искажений при измерениях в п. 3, а. Сопротивление RН меняется посредством SA3. Результаты измерений занести в таблицу П5.2.

4. Исследовать усилитель мощности в режиме класса А при включенном токостабилизирующем сопротивлении R3. Для задания нужной конфигурации УМ переключатели макета установить в положения: SА1 в 1, SА2 в 2, SAЗ в 4. Для настройки режима работы УМ нужно выполнить следующие действия:

• снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

• потенциометром R2 установить ток покоя коллектора транзистора VT1 IK = 120 мА (условие режима класса А для однотактного каскада).

Далее проводить измерения по методике, примененной в п. 3, а. Результаты измерений занести в таблицу П5.3, идентичную по форме таблице П5.1.

5. Исследовать двухтактный усилитель мощности при различных режимах работы транзисторов. Для этого сначала задать конфигурацию схемы, установив переключатели в следующие положения: SA1 в 2, SА2 в 2, SА3 в 4. Затем выполнять нижеследующее строго в указанной последовательности.

а) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме класса А. Настройка двухтактной схемы УМ в режим А производится так:

• снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

• потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима А:

110 мА ≤≤≤≤ IK1 ≈≈≈≈ IK2≤≤≤≤ 130 мА. Далее произвести измерения: задавая последовательно уровни входного

напряжения UВХ, измерять значения выходного напряжения UВЫХ и токов IК1 и IК2. Результаты измерений занести в соответствующие строки табл. П5.4.

б) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме класса АВ. Настройка двухтактной схемы УМ в режим АВ производится так:

• снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

54

• потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима АВ:

20 мА ≤≤≤≤ IK1 ≈≈≈≈ IK2≤≤≤≤ 40 мА. Далее провести измерения по методике, примененной в п.5, а. в) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме

класса В. Настраивать двухтактную схему УМ в режим В нужно так: • снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до

минимально возможного значения; • потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов

IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима В: 0 мA < IK1 ≈≈≈≈ IK2≤≤≤≤ 5 мА.

Далее провести измерения по методике, примененной в п.5, а и п.5, б. Нелинейные искажения типа "ступенька", если они будут замечены, помечать в таблице не нужно.

6. Снять нагрузочную характеристику двухтактного усилителя мощности (зависимость выходного напряжения UВЫХ от сопротивления нагрузки RН, см. п. 3, б) при работе усилителя в режиме класса А. Настроить схему по методике, изложенной в п. 5, а. Входное напряжение установить таким же, как и при выполнении п. 3, б. Далее, меняя RН, измерять UВЫХ; результаты измерений заносить в табл. П5.5, идентичную по форме таблице П5.2.

7. Снять зависимость выходного напряжения UВЫХ от частоты при работе двухтактного УМ в режимах А и В.

Сначала следует задать необходимую конфигурацию схемы, установив переключатели в следующие положения: SA1 в 2, SА2 в 2, SА3 в 4. Затем настроить класс работы УМ: для класса А двухтактный каскад настраивается по методике, изложенной в п. 5 а, для класса В в п. 5 в. Входное напряжение UВХ установить таким, при котором ранее не наблюдалось заметных нелинейных искажений выходного сигнала (для этого использовать пометки о наличии нелинейных искажений, выставленные при выполнении п.5, а и п.5, в). Далее, для каждого класса работы УМ изменять частоту сигнала и измерять UВЫХ. Заметим, что в силу того, что входное сопротивление исследуемого устройства сильно зависит от частоты, то при каждом новом устанавливаемом значении частоты входного сигнала может заметно изменяться величина входного напряжения. Поэтому во избежание ошибочных измерений каждый раз после установки нового значения частоты следует проследить за значением входного напряжения по вольтметру и при необходимости тщательно подстроить его, сделав его равным ранее выставленному значению. Результаты измерений заносить в соответствующие строки таблицы П5.6.

По окончании работы и/или за 3..4 минуты до окончания занятия следует выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя.

5.4. Оформление отчета Отчет должен содержать:

55

1. Формулировку цели работы, схемы усилителей мощности и электрическую схему лабораторного макета.

2. Таблицы результатов измерений и вычислений: - в таблице П5.4 для каждого режима по отдельности при всех значениях

UВХ следует рассчитать значения: • мощности, выделяемой на сопротивлении нагрузки (РН); • выходной мощности, отдаваемой транзистором (РВЫХ); • мощности, потребляемой УМ от источника питания (Р0); • мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора (РК).

В результате в отчете таблица П5.4 должна приобрести формат таблицы 5.1. - теми же рассчитанными параметрами следует дополнить данные

таблиц П5.1 и П5.3, в которых для расчета мощности Р0 использовать формулу Р0=ЕKIK;

- таблицу П5.6 следует дополнить строками с расчетом значений АЧХ по формуле A(f)=UВЫХ/UВХ для класса А и для класса В, а также для каждого из классов вычислить АЧХ в децибелах по формуле AdB(f)=20⋅Lg(A(f)).

Чтобы не нарушать последовательный порядок нумерации, при оформлении отчета следует придерживаться изначально принятой нумерации таблиц.

Таблица 5.1

Класс UВХ, B

А

UВЫХ, B IК1, мА IК2, мА РН=UВЫХ

2/RН, Вт РВЫХ=РН/(η2)

2, Вт* Р0=ЕK (IK1+ IK2), Вт РK=Р0 −РВЫХ, Вт

АВ

UВЫХ, B IК1, мА ...

... ... В ...

Р0=ЕK (IK1+ IK2), Вт РK=Р0−РВЫХ, Вт

* Примечание: η2=0.75 коэффициент полезного действия трансформатора T2. 3. Графические зависимости, построенные по данным всех таблиц (при

построении каждого графика нужно заранее продумать выбор масштаба по осям графика линейный или логарифмический, учитывая диапазон изменения значений параметров):

- графики амплитудных характеристик (зависимости UВЫХ от UВХ) для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим сопротивлением RЭ, а также для

56

двухтактной схемы УМ при работе во всех трех режимах (в итоге получится 5 зависимостей на одном графике одна по данным табл. П5.1, одна по данным табл. П5.3 и три по табл. П5.4);

- графики нагрузочных характеристик (зависимости UВЫХ от RH) для однотактного и двухтактного каскадов усилителя мощности в режиме класса А (для возможности проведения сравнения построить две зависимости на одном графике, по данным табл. П5.2 и табл. П5.5);

- 5 зависимостей РВЫХ от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

- 5 зависимостей Р0 от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

- 5 зависимостей РК от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

- графики амплитудно-частотных характеристик двухтактных усилителей мощности, работающих в режимах классов А и В, (две зависимости на одном графике AdB А(f) и AdB B(f)), при построении обязательно нужно использовать логарифмический масштаб по оси абсцисс и линейный по оси ординат.

4. Вычислить КПД усилителя (η = РВЫХ /P0) для всех исследованных разновидностей и режимов работы каскадов УМ при максимальных значениях мощности, выделяемой на нагрузке PH (при этом для каждого из каскадов максимум PH искать только на множестве значений UВЫХ, когда не наблюдалось нелинейных искажений: учесть сделанные пометки в протоколе) и свести все 5 значений в таблицу, формат которой соответствует таблице 5.2. Там же для сравнения приведены теоретические значения КПД для каждого из классов усиления. Чтобы не нарушать порядок нумерации при оформлении отчета, следует использовать для этой таблицы очередной порядковый номер, согласно последовательности нумерации таблиц в отчете.

Таблица 5.2

Тип УМ

однотактный каскад УМ двухтактный каскад УМ класс А, без RЭ класс А, с RЭ класс А класс АВ класс В

ηТЕОР 0.5 меньше 0.5 0.5 от 0.5 до 0.78 0.78 η

5. В выводах в письменной форме отразить результаты сравнительного

анализа различных исследованных режимов работы усилителей мощности, опираясь на семейства построенных графических зависимостей. В частности, следует сформулировать ответы на следующие вопросы:

57

- в каком классе работы транзисторов УМ коэффициент усиления напряжения оказывается наибольшим, а в каком наименьшим;

- насколько больше коэффициент усиления двухтактной схемы УМ по сравнению с однотактной (сравнить данные для каскадов, работающих в режиме класса A с включенными токостабилизирующими сопротивле-ниями);

- в каком классе работы транзисторов УМ значение мощности рассеяния на коллекторе транзистора будет наибольшим, а в каком наименьшим (сравнение следует проводить при одинаковых значениях выходной мощности);

- в каком классе работы транзисторов значение рассчитанного КПД усилителя мощности является наибольшим, а в каком наименьшим, соответствуют ли полученные значения теоретическим оценкам КПД для каждого класса работы?;

- влияет ли режим работы транзисторов двухтактного УМ с трансформаторным выходом на ширину полосы его рабочих частот и если влияет, то как?;

- влияет ли класс работы транзисторов на нагрузочную характеристику УМ, и если влияет, то как?;

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный

преподавателем. 5.5. Контрольные вопросы 1. Объясните отличия однотактных и двухтактных усилителей мощности:

что дает использование двух транзисторов вместо одного? 2. Расскажите о назначении трансформаторов в УМ; почему одна из

обмоток каждого трансформатора двухтактного УМ разделена на две секции? 3. Дайте определения режимов А, В, АВ; объясните, почему режим работы

УМ связан с током покоя транзисторов. 4. Сравните свойства режимов А, В, АВ в усилителях мощности по

основным параметрам: выходная мощность, мощность потребления, КПД и т. д.; подтвердите ответ данными проведенных экспериментов.

5. Что называют нелинейными искажениями? Каковы причины возникновения нелинейных искажений в трансформаторных УМ на биполярных транзисторах?

6. Как уменьшить уровень нелинейных искажений УМ? 7. Что называют частотными искажениями, как уменьшить уровень

частотных искажений УМ? 8. Какие искажения вносят трансформаторы в составе УМ, как их можно

уменьшить? 9. Почему на входе и выходе транзисторных УМ с трансформаторной

связью часто устанавливается понижающие, а не повышающие трансформаторы (ведь понижающий трансформатор уменьшает напряжение, а повышающий мог бы обеспечить его дополнительное увеличение)?

58

10. Каков смысл термина "согласующий", применительно к трансформатору в составе усилителя мощности: что с чем он согласует?

11. Поясните смысл термина "токостабилизирующий", применительно к сопротивлению RЭ (R3 на рис. 5.4) и объясните, как этот термин согласуется с данными измерений IK в табл. П5.3.

12. Предложите какой-либо вариант схемы усилителя мощности с трансформаторным выходом на полевых транзисторах.

13. Какие факторы ограничивают значение максимальной выходной мощности трансформаторных УМ на транзисторах?

14. Какие еще классы усиления (помимо рассмотренных А, АВ и В) применяются в транзисторных УМ?

15. Нарисуйте схему мостового транзисторного усилителя мощности с трансформаторным выходом и объясните принцип ее построения.

16. Нарисуйте схему двухтактного каскада УМ с трансформаторным выходом, в котором транзисторы были бы включены по схеме с общей базой.

17. Нарисуйте схему двухтактного каскада УМ с трансформаторным выходом, в котором транзисторы были бы включены по схеме с общим коллектором.

18. Докажите теоретически, что равенство выходного сопротивления источника сигналов и сопротивления нагрузки обеспечивает максимум мощности, выделяемой в нагрузке.

Библиографический список 1. Гальперин М.В. Электронная техника: Учебник. М.: Форум, Инфра-М,

2003. 303 с. 2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая

электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

3. Булатов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства. М.: Высшая школа, 1980. С. 42 - 74.

4. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. / В.П. Дьяконов и др. М.: Радио и связь, 1994. 280 с.

5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, М.: “Энергия”, 1977. 672 с.

59

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 (макет №7) ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА

НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы: исследование принципа построения и основных

характеристик компенсационного стабилизатора напряжения. 6.1. Методические указания по подготовке к работе Для работы любой электронной аппаратуры необходима электрическая

энергия. Электроэнергия вырабатывается путем преобразования механической, тепловой, атомной, химической, солнечной или другой энергии с помощью специальных устройств, называемых первичными источниками электропитания. К их числу относятся промышленные электростанции, автономные электро-машинные генераторы постоянного и переменного тока, гальванические батареи, аккумуляторы, солнечные батареи, и т. д.

Надежность и качество работы электронной аппаратуры сильно зависят от характеристик источников электропитания, поэтому к ним предъявляют ряд вполне определенных и иногда довольно жестких требований. Любой источник электропитания должен:

- обеспечивать аппаратуру напряжением заданного значения (т. н. номинальное напряжение UВЫХ НОМ) при требуемой мощности;

- обеспечивать заданную стабильность напряжения при воздействии дестабилизирующих факторов: температуры, изменения сопротивления нагрузки, изменения напряжения первичного источника и т. д.;

- иметь минимальный уровень пульсаций (кратковременной нестабильности) выходного напряжения;

- создавать минимальный уровень помех в процессе работы, удовлетворяя требованиям электромагнитной совместимости.

Параметры первичных источников электропитания далеко не всегда удовлетворяют перечисленным требованиям. Поэтому между источником электроэнергии и потребителем включается специальное преобразующее устройство, называемое источником вторичного электропитания.

Назначение источника вторичного электропитания состоит в передаче электрической энергии от первичного источника электроэнергии к потребителю с необходимым преобразованием его количественных и качественных характеристик в условиях возмущающих воздействий. Типовые функции, выполняемые источником вторичного электропитания, состоят в преобразовании рода тока, изменении уровня напряжения, его стабилизации, подавлении пульсаций напряжения, получаемого от первичного источника. Хорошие источники вторичного электропитания содержат также устройства диагностики, блокировки и защиты, что позволяет обнаруживать неисправности, возникающие в процессе эксплуатации и не допускать попадания на аппаратуру напряжения с неудовлетворительными характеристиками, а также защищать источник от перегрузки в случае неисправности самой подключенной к нему аппаратуры.

60

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры требуется постоянный ток.

Одним из распространенных проявлений нестабильности входного напряжения постоянного тока являются его пульсации: когда величина напряжения непрерывно флуктуирует относительно среднего значения. Величина этих флуктуаций оценивается либо по их амплитуде (если флуктуации симметричны), либо по размаху, от минимума до максимума. Задача стабилизатора, таким образом, состоит в противодействии не только долговременным изменениям входного напряжения от первичного источника электропитания, но и относительно быстрым пульсациям и одиночным кратковременным выбросам, что предъявляет свои требования к быстродействию входящих в стабилизатор элементов.

Таким образом, устройства стабилизации напряжения (или просто стабилизаторы) должны действовать непрерывно и автоматически поддерживать напряжение на выходе равным номинальному значению при любых изменениях входного напряжения, получаемого от первичного источника.

Сравнение разных источников электропитания с целью выбора наилучшего по какому-либо критерию (или их совокупности) производится по набору характеристик, из которых важнейшими являются нижеследующие.

• Нагрузочная характеристика зависимость постоянной составляющей выходного напряжения UВЫХ= от постоянной составляющей тока нагрузки IН UВЫХ=f1(IН);

• Переходная характеристика кривая изменения напряжения на нагрузке во времени ∆UВЫХ(t), вызванного скачкообразным изменением тока нагрузки при резком изменении сопротивления нагрузки;

Основными параметрами стабилизаторов, по которым их сравнивают между собой, являются нижеследующие.

• Абсолютный коэффициент стабилизации равен отношению приращения напряжения на входе стабилизатора к приращению напряжения на его выходе

KСТ=∆UВХ/∆UВЫХ. • Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения равен

отношению размаха (или амплитуды) напряжения пульсаций, действующих на входе стабилизатора к размаху (или амплитуде) пульсаций напряжения на его выходе

KПП=UВХ≈/UВЫХ≈.

Коэффициент KПП в общем случае существенно зависит от частоты пульсаций. Для низкочастотных пульсаций KПП≈KСТ.

• Выходное сопротивление стабилизатора характеризует изменения выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки (возникающих за счёт изменения сопротивления нагрузки) и определяется в виде

Ri СТ= ∆UВЫХ/∆IН.

61

Очевидно, чем больше значения коэффициентов KСТ, KПП и чем меньше

Ri СТ, тем лучше стабилизатор. Для удобства оперирования значениями KСТ и KПП их часто выражают в децибелах.

Стабилизаторы напряжения подразделяются на 2 группы: параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе некоторого нелинейного сопротивления, в котором ток является нелинейной функцией приложенного к нему напряжения. В источниках постоянного тока в качестве таких элементов чаще всего используются полупроводниковые стабилитроны (изредка их называют ещё зенеровскими диодами). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона изображена на рис. 6.1, и характерна тем, что она имеет обратную ветвь с протяженным участком, на котором относительно большим приращениям тока, протекающего через стабилитрон, соответствуют малые приращения напряжения на нём. Динамическое сопротивление rД=∆U/∆I для современных полупроводниковых стабилитронов мало и имеет величину порядка единиц и даже долей ома.

Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 6.2. Балластный резистор RБ, включен последовательно с цепью первичного источника постоянного напряжения и ограничивает ток стабилитрона. Любые изменения входного напряжения UВХ вызывают изменения тока через цепь RБ – VD. Однако напряжение на стабилитроне, с которого и снимается выходное напряжение параметрического стабилизатора, от этого тока зависит очень слабо. Точность поддержания напряжения на выходе такого стабилизатора тем выше, чем меньше динамическое сопротивление используемого стабилитрона.

Рис. 6.1. ВАХ стабилитрона. Рис. 6.2. Схема параметрического

стабилизатора. Расчет параметрического стабилизатора напряжения сводится к заданию

диапазона значений входного напряжения UВХ, при котором необходимо обеспечивать заданное номинальное напряжение UВЫХ НОМ с требуемой стабильностью, и определению величины балластного сопротивления RБ.

Показано, что абсолютный коэффициент стабилизации схемы, изображенной на рис. 6.2, при правильном расчёте RБ имеет величину

KСТ=RБ⋅rД−1.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора вычисляется по

формуле

62

Ri СТ=RБ⋅rД⋅(RБ + rД) −1 ≈ rД.

Недостатком простейшего параметрического стабилизатора является то, что

мощность, которую он способен отдавать в нагрузку, является весьма небольшой (не более нескольких десятых долей ватта даже для мощных стабилитронов), поскольку она ограничена балластным сопротивлением RБ.

Компенсационные стабилизаторы напряжения более совершенны и представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования, в процессе работы они используют обратную связь с выхода. На рис. 6.3 представлены функциональные схемы таких стабилизаторов. Регулирующий элемент P, включенный последовательно или параллельно с нагрузкой стабилизатора H, способен изменять своё сопротивление под воздействием напряжения на входе управления. Если выходное напряжение на нагрузке по какой-либо причине отклонится от номинального значения, то сопротивление регулирующего элемента целенаправленно изменяется таким образом, чтобы скомпенсировать эти отклонения. Необходимое воздействие на регулирующий элемент осуществляется через цепь обратной связи, содержащую управляющий элемент У (обычно это операционный усилитель), источник опорного напряжения (элемент, обозначенный буквой И) и элемент для измерения стабилизируемого напряжения Э. Элемент измерения напряжения чаще всего представляет собой резистивный делитель, с которого снимается часть выходного напряжения. Отрицательная обратная связь регулирует выходное напряжение стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение делителя всегда равнялось опорному напряжению.

Источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор напряжения (см. рис. 6.2), в качестве регулирующего элемента чаще всего используется транзистор или каскады транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором. Выходная мощность стабилизатора ограничена лишь возможностями используемых транзисторов.

Стабилизатор напряжения называют последовательным, если регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой Н, как показано на рис. 6.3, а. Когда нагрузка подключается параллельно регулирующему элементу, стабилизатор напряжения называется параллельным (см. рис. 6.3, б).

Принцип регулирования выходного напряжения в последовательном стабилизаторе заключается в том, чтобы изменением сопротивления регулирующего элемента добиться того, чтобы падение напряжения на нём было равно разности между входным напряжением UВХ и номинальным значением выходного напряжения на нагрузке UВЫХ НОМ. В параллельном стабилизаторе изменение сопротивления регулирующего элемента приводит к изменению тока через балластный резистор RБ, соответственно, воздействие на Р должно обеспечить такой ток через RБ, при котором падение напряжения на нём окажется равно разности между UВХ и UВЫХ НОМ.

63

Рис. 6.4. Простейший компенсационный стабилизатор.

а) б)

Рис. 6.3. Функциональные схемы стабилизаторов: а) последовательного, б) параллельного.

Преимущества использования той или иной схемы стабилизатора

определяется рядом таких факторов, как вид первичного источника питания, поведение стабилизатора в режиме короткого замыкания и холостого хода, параметры нестабильности нагрузки, КПД и т. д.

Последовательный стабилизатор напряжения имеет более высокий КПД при частичной загрузке, а при холостом ходе практически не потребляет мощности от первичного источника. Параллельный стабилизатор потребляет постоянную мощность от первичного источника электроэнергии и перераспределяет её между нагрузкой и регулирующим элементом. Постоянное потребление мощности, с одной стороны, способствует более стабильной работе первичного источника, но с другой стороны, приводит к бесполезной трате энергии, когда стабилизатор работает без нагрузки. Поэтому последовательные стабилизаторы чаще применяют, когда нагрузка может меняться в широких пределах, а параллельные стабилизаторы предпочтительнее при неизменных нагрузках.

Короткое замыкание выхода всегда представляет собой серьезное испытание для любого стабилизатора напряжения. При коротком замыкании параллельного стабилизатора балластный резистор RБ должен быть способен рассеять всю мощность первичного источника питания, а в последовательном стабилизаторе эту мощность должен рассеивать регулирующий элемент.

С другой стороны, при работе стабилизатора в режиме холостого хода (при отключении нагрузки) в параллельном стабилизаторе регулирующий элемент должен будет рассеять максимальную мощность, которую стабилизатор может отдавать в нагрузку, а у последовательного такой необходимости не возникает.

В целом, при неизменной нагрузке параллельный и последовательный стабилизаторы обеспечивают примерно одинаковые характеристики, а при изменяющихся нагрузках последовательный обеспечивает более высокий КПД и его использование предпочтительнее. Важно подчеркнуть, что нормальная работа всех рассмотренных выше стабилизаторов возможна только при UВХ>UВЫХ НОМ.

Принципиальная электрическая схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 6.4. Он состоит из параметрического стабилизатора (элементы RБ, VD), создающего

64

опорное напряжение Uо, и регулирующего транзистора VT, который управляет величиной тока нагрузки IН. Схематично принцип его работы можно проиллюстрировать следующими рассуждениями. Пусть выходное напряжение на нагрузке по каким-либо причинам, например, уменьшится. Это означает уменьшение потенциала эмиттера транзистора VT. Учитывая же, что потенциал его базы надежно зафиксирован параметрическим стабилизатором, легко понять, что увеличится разность потенциалов UБЭ. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока базы транзистора, и, соответственно, тока из его коллекторной цепи в эмиттерную (в силу IК=β⋅IБ). Увеличение этого тока в соответствии с законом Ома увеличит и напряжение на сопротивлении RН.

С точки зрения схемотехники рассматриваемый стабилизатор представляет собой эмиттерный повторитель. Следствием включения транзистора по схеме с общим коллектором является то, что большим изменениям напряжения UВХ (которое для эмиттерного повторителя здесь играет роль напряжения питания) соответствуют малые изменения токов коллектора и эмиттера, а, следовательно, и малые изменения напряжения на выходе стабилизатора ∆UВЫХ.

Приближенное значение абсолютного коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора можно рассчитать по формуле

KСТ≈ rК⋅(rЭ⋅(β+1)]−1,

а его выходное сопротивление определяется выражением

Ri СТ ≈ (rБ+rД)⋅(1−α) + rЭ,

где α и β коэффициенты передачи тока биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой и общим эмиттером, соответственно; rБ, rК, rЭ эквивалентные сопротивления базовой, коллекторной и эмиттерной областей транзистора; при необходимости значения α, β, rБ, rК, rЭ для любого транзистора можно отыскать в соответствующих справочниках.

Коэффициент стабилизации простейших стабилизаторов имеет величину порядка нескольких десятков, что сравнительно немного. Для повышения качества стабилизатора компенсационного типа в цепь обратной связи включают усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления напряжения KU (операционный усилитель), что позволяет построить стабилизатор с более высоким значением коэффициента стабилизации КСТ

*

КСТ*=KCТ⋅KU,

где KCТ коэффициент стабилизации простейшего компенсационного стабилизатора напряжения.

Выходное сопротивление Ri СТ* определяется в этом случае по формуле

Ri СТ

*=Ri СТ KU−1,

65

где Ri СТ выходное сопротивление простейшего стабилизатора напряжения компенсационного типа.

В настоящее время промышленностью выпускается широкая номенклатура стабилизаторов напряжения в интегральном исполнении, в том числе снабженных средствами крепления на теплоотводящий радиатор. Однако при проектировании мощных стабилизаторов (при выходной мощности выше ста ватт) в их схемах по-прежнему требуется применять дискретные элементы, в первую очередь это касается регулирующих транзисторов большой мощности.

6.2. Описание лабораторной установки Принципиальная схема исследуемого компенсационного стабилизатора

напряжения приведена на рис. 6.5. Стабилизатор является последовательным, его схема в целом соответствует структуре, приведенной на рис. 6.3, а.

Рис. 6.5. Схема лабораторного макета.

Регулирующий элемент стабилизатора построен на транзисторах VT1 и

VT2, включенных по схеме Дарлингтона. VT1 несет силовую нагрузку, а VT2 является согласующим. По отношению к нагрузке они включены как эмиттерные повторители. Коэффициент передачи тока базы для составного транзистора, образованного схемой Дарлингтона равен произведению коэффициентов передачи токов составляющих его транзисторов, за счёт этого для управления

66

составным транзистором требуется на порядок меньшая мощность, чем для управления одиночным.

Роль управляющего элемента выполняет операционный усилитель DA1, который включен по специальной схеме, позволяющей ему работать от однополярного источника питания. Необходимое питание ОУ получает от выходного напряжения стабилизатора.

Источник опорного напряжения построен по схеме параметрического стабилизатора напряжения и состоит из резистора R4 и стабилитрона VD2 (нетрудно проследить аналогию со схемой, приведенной на рис. 6.2).

Измерительный элемент представляет собой резистивный делитель напряжения и образован группой сопротивлений R6, R7, R8. Стабилитрон VD1 совместно с сопротивлениями R1 и R2 осуществляет согласование электрических потенциалов между схемой управления и регулирующим элементом VT1 – VT2. Это согласование необходимо, поскольку при нормальной работе стабилизатора дифференциальное напряжение между входами ОУ равно нулю, а на его выходе при этом будет напряжение, равное половине напряжения питания (т. е., в данном случае половине номинального выходного напряжения стабилизатора). Между тем, при работе биполярного транзистора в активном режиме требуется, чтобы разность потенциалов, приложенных в необходимой полярности между его базой и коллектором, была бы сравнительно небольшой по величине (в районе одного вольта). В данном случае, учитывая, что потенциал эмиттера транзистора VT1 равен выходному напряжению, нетрудно видеть, что потенциал базы транзистора VT2 должен быть по абсолютному значению примерно на два вольта выше. Если выход ОУ подключить к базе VT1 непосредственно, то это условие выполнено не будет. Поэтому между входом регулирующего транзистора и выходом управляющего элемента включен стабилитрон, через который протекает ток от первичного источника; величина этого тока задаётся равной току стабилизации стабилитрона при помощи сопротивлений R1 и R2. При этом малое дифференциальное сопротивление стабилитрона не препятствует прохождению на базу транзистора VT1 сигналов управления от ОУ.

При помощи переключателя SA1 возможно настроить стабилизатор на работу в одном из двух режимов (I и II), различающихся способом формирования опорного напряжения и конфигурацией цепи измерения выходного напряжения. Когда SA1 находится в положении I, схема работает как стабилизатор выходного напряжения на нагрузке RH (которая образована цепью R9 – R15, конкретное значение RH задаётся переключателем SA2). Когда SA1 поставлен в положение II, то стабилизатор стремится поддерживать постоянным напряжение уже на цепочке резисторов R5 – RH, и, поскольку напряжение на R5 пропорционально выходному току, в этом случае устройство работает в режиме стабилизации выходного тока.

Номинальные значения сопротивлений цепи нагрузки: R9=12 Ом; R10=8.2 Ом; R11=R12=R13=R14=2 Ом; R15=4 Ом. Сопротивление R5 имеет номинал 5 Ом.

Величина постоянного напряжения на входе исследуемого стабилизатора UВХ= задается при помощи ручки управления "РЕГ. Е", подключенной к встроенному в макет регулируемому первичному источнику напряжения. К парам

67

гнезд X1-Х2 (вход стабилизатора) и ХЗ-Х4 (выход стабилизатора) подключаются вольтметры постоянного тока и двухканальный осциллограф для наблюдения и измерения пульсаций входного (UВХ≈) и выходного напряжения (UВЫХ≈).

Работа стабилизатора, схема которого изображена на рис. 6.5, схематично может быть проанализирована нижеследующими рассуждениями. Пусть, для определенности, переключатель SA1 установлен в положение I; кроме того, учитывая, что полярность входного и выходного напряжений в данной схеме отрицательная, то во избежание дополнительной путаницы сравнительными понятиями “больше” и “меньше” будем оперировать применительно к абсолютной величине напряжений и токов.

Итак, предположим, что по каким-то причинам напряжение на выходе уменьшилось (например, это часто наблюдается при уменьшении сопротивления нагрузки). В результате этого уменьшится напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 (подробно свойства ОУ изучаются в лабораторной работе №1), а напряжение на его неинвертирующем входе практически не изменится, поскольку оно зафиксировано параметрическим стабилизатором, состоящим из резистора R4 и стабилитрона VD2. Вследствие вышеизложенного, напряжение на выходе ОУ увеличится, и его изменение через стабилитрон VD1 передаётся на базу транзистора VT2. Увеличение напряжения на базе биполярного транзистора приведет к увеличению его коллекторного тока, который в свою очередь, являясь базовым током для транзистора VT1, увеличит ток его коллекторной цепи; т.е., иными словами, от первичного источника в нагрузку пойдет уже больший ток IН. Тогда, в соответствии с законом Ома (UВЫХ==IНRH), напряжение на нагрузке также увеличится, в значительной степени скомпенсировав первоначальное предположительное уменьшение.

6.3. Порядок выполнения работы 1. Согласовать с преподавателем программу исследований. 2. Подключить к паре входных клемм X1-X2 стабилизатора один вольтметр

постоянного тока (используется универсальный вольтметр) и один из входов двухканального осциллографа, а к паре выходных X3-X4 другой вольтметр постоянного тока и второй вход двухканального осциллографа. Включить питание лабораторного макета и приборов.

3. Установить переключатель режима работы стабилизатора SA1 в положение I.

4. Переключатель SA2 установить в положение 7. Регулятором "РЕГ Е" установить на входе стабилизатора максимально возможное напряжение (контролируется по вольтметру постоянного тока), отметить его значение в протоколе (UВХ=).

5. Изменяя переключателем SA2 величину сопротивления нагрузки, снять нагрузочную характеристику стабилизатора (зависимость выходного напряжения UВЫХ= от тока нагрузки IH). Ток нагрузки измеряется по стрелочному амперметру, встроенному в лабораторный макет. При этом для каждого нового значения сопротивления нагрузки следует регулятором "РЕГ Е" подстраивать величину

68

входного напряжения UВХ=, так, чтобы оно всегда было равно значению, установленному в п. 4. Результаты измерений занести в табл. П6.1.

6. Установить переключатель режима работы стабилизатора SA1 в положение II. Проделать те же действия, что и в п. 4 и п. 5. По окончании измерений установить переключатель режима работы стабилизатора SA1 в положение I.

7. Снять сквозную характеристику стабилизатора (зависимость постоянной составляющей выходного напряжения от постоянной составляющей входного) при работе стабилизатора в различных режимах (задается переключателем SA1) и при двух различных значениях сопротивления нагрузки (задается переключателем SA2) всего требуется снять 4 зависимости:

- при SA1=I, SA2=1; - при SA1=II, SA2=1; - при SA1=I, SA2 в любом положении X, кроме 1; - при SA1=II, SA2 в том же положении X.

При этом регулятором "РЕГ Е" нужно изменять величину входного напряжения UВХ= и измерять выходное напряжение UВЫХ= и ток нагрузки IH. Результаты измерений следует занести в табл. П6.2 и табл. П6.3. Шаг изменения UВХ= желательно выбрать неравномерным: до UВХ==10 В достаточно трёх-четырех точек, а далее шаг нужно уменьшать, с тем, чтобы при UВХ=, близких к максимально возможным, шаг был не более 1 В.

9. Измерить характеристики подавления пульсаций стабилизатора при работе в различных режимах.

Пульсации напряжения на входе и выходе стабилизатора (UВХ≈ и UВЫХ≈, соответственно) наблюдаются при помощи двухканального осциллографа, работающего в режиме закрытого входа (трехпозиционные переключатели возле входов установить в положения "~").

Перед началом измерений требуется сначала установить на входе постоянную составляющую напряжения UВХ=, точно такую же, как в п. 4.

Далее, при помощи осциллографа следует измерять размах (от минимума до максимума по вертикали) напряжений пульсаций UВХ≈ и UВЫХ≈, при всех возможных сочетаниях переключателей SA1 и SA2, стараясь каждый раз максимально растягивать “картинку”. Результаты измерений занести в табл. П6.4. При каждом новом положении переключателя SA2 обязательно следует регулятором "РЕГ Е" подстраивать значение постоянной составляющей входного напряжения UВХ= равным предварительно установленному значению.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

6.4. Оформление отчета Отчет должен содержать: 1. Формулировку цели работы, функциональные схемы последовательного

и параллельного стабилизаторов, принципиальную схему исследованного стабилизатора напряжения.

69

2. Таблицы с результатами экспериментальных исследований и расчетов. Таблицу П6.4 следует дополнить строками с расчетными значениями коэффициента подавления пульсаций KПП “в разах” по формуле

,U

UK

BЫX

BX

≈

≈ΠΠ =

где UВХ≈ и UВЫХ≈ амплитуды пульсаций, измеренные на входе и на выходе стабилизатора, соответственно; а также коэффициента подавления пульсаций, выраженного в децибелах КПП dB, по формуле КПП dB=20⋅Lg(КПП).

3. Графики полученных зависимостей: - 2 нагрузочные характеристики стабилизатора на одном графике

(зависимости UВЫХ= от RH), построенные при разных режимах его работы (I и II), по данным табл. П6.1;

- 2 зависимости IН от RH, построенные при разных режимах работы стабилизатора (I и II), по данным табл. П6.1;

- 4 сквозные характеристики стабилизатора (зависимости UВЫХ= от UВХ=) при различных режимах его работы (I и II) на одном графике по данным табл. П6.2 и табл. П6.3;

- 2 зависимости коэффициента подавления пульсаций КПП dB от сопротивления нагрузки стабилизатора RН при различных режимах его работы (I и II) по данным табл. П6.4 на одном графике.

4. Выводы по работе (в письменной форме), отражающие характер построенных зависимостей и наблюдаемые различия характеристик стабилизатора при различных режимах его работы:

- каково номинальное выходное напряжение исследованного стабилизатора в различных режимах работы (режимы I и II)?;

- как зависит выходное напряжение стабилизатора от сопротивления нагрузки в различных режимах работы и почему зависимость такая?;

- как зависит коэффициент подавления пульсаций от сопротивления нагрузки?;

- в каком режиме работы стабилизатора коэффициент подавления пульсаций оказывается выше?

Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный

преподавателем. 6.5. Контрольные вопросы 1. Поясните структуру и принцип работы простейшего компенсационного

стабилизатора. 2. Поясните структуру и принцип работы последовательного стабилизатора. 3. Поясните структуру и принцип работы параллельного стабилизатора. 4. Каковы особенности последовательного и параллельного стабилизаторов? 5. Какими основными характеристиками оценивают качество стабилизатора

напряжения?

70

6. Каким образом характеристики позволяют сравнивать источники электропитания?

7. Чем отличается параметрический стабилизатор от компенсационного? 8. Как можно усовершенствовать параметрический стабилизатор

напряжения с целью увеличения коэффициента стабилизации? 9. Какие требования предъявляются к источникам электропитания и к

стабилизаторам напряжения? 10. Какие схемные решения применяются при построении стабилизаторов

напряжения? 11. Как повысить коэффициент подавления пульсаций в компенсационном

стабилизаторе напряжения? 11. Как повысить коэффициент подавления пульсаций в параметрическом

стабилизаторе напряжения? 13. Поясните назначение элементов принципиальной схемы исследуемого

стабилизатора по рис. 6.5. 14. Как должна выглядеть нагрузочная характеристика идеального

стабилизатора напряжения и почему? 15. Что такое схема Дарлингтона, в чём её достоинства и почему в качестве

регулирующего элемента предпочтительнее было использовать именно такое решение?

16. Расскажите о назначении смещающего стабилитрона VD1 в схеме исследованного стабилизатора.

Библиографический список. 1. Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и

импульсные стабилизаторы: Пер. с англ. М.: Постмаркет. 2002. 543 с. 2. Ефимов В.П. Источники питания РЭА: Учеб. пособие. Ульяновск:

УлГТУ. 2002. 136 с. 3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая

электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

71

ПРИЛОЖЕНИЕ

ФОРМЫ ПРОТОКОЛОВ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

72

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1 (маке т №1 8 )

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОСНОВЕ ПРЕЦИЗИОННОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

К140УД1408 Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Снятие амплитудной характеристики усилителя в различных схемах включения

Таблица П1.1* S1 I II

включение инвертирующее неинвертирующее

S2 1 2 1

вид ОС RОС−=22 кОм RОС−=100 кОм RОС−=22 кОм

UВХ, В UВЫХ, В

0.002

0.005

0.01

0.02

0.05

0.1

0.2

0.3

0.5

0.7

1

2

5

* Примечание: fВХ= Гц; R+=R−=10 кОм.

73

Исследование АЧХ устройств на ОУ в различных схемах включения Таблица П1.2*

S2 1 2 3

вид ОС RОС− =22 кОм RОС− = 100 кОм СОС− =0.1 мкФ

S3 I II I II I

коррекция простая сложная простая сложная простая

fВХ, Гц UВЫХ, В

10

20

50

102

3⋅102

103

3⋅103

104

2⋅104

3⋅105

5⋅104

105

2⋅105

* Примечание: UВХ= В; R+=R −=10 кОм. Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

74

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2 (маке т №1 1 )

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Граница линейного участка амплитудной характеристики: UВХ MАХ = B.

Снятие амплитудно-частотной характеристики ОУ без обратной связи

Таблица П2.1

f, кГц 2 3 4 5 6 7 8

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В (здесь указано напряжение с выхода генератора; но при расчетах KU=UВЫХ/UВХ следует учитывать, что на входе схемы установлен делитель напряжения, ослабляющий сигнал от генератора в 100 раз).

Снятие амплитудно-частотной характеристики двойного Т-образного моста Точка минимума АЧХ: f0= кГц; UВЫХ MIN = B.

Таблица П2.2

f, кГц 2 3 3.5 3.8 4 4.2 4.4 4.5 4.6

UВЫХ, B

f, кГц 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.15 5.2 5.3 5.4

UВЫХ, B

f, кГц 5.5 5.6 5.7 5.8 6.0 6.2 6.5 7 8

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В (в этой части схемы делителя напряжения нет, здесь входной сигнал не подвергается никакому ослаблению).

75

Снятие амплитудно-частотной характеристики усилителя с замкнутой цепью обратной связи

Переключатель П2 установлен в положение . Точка максимума АЧХ: f0= кГц; UВЫХ MAX = B.

Таблица П2.3

f, кГц 2 3 3.5 3.8 4 4.2 4.4 4.5 4.6

UВЫХ, B

f, кГц 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.15 5.2 5.3 5.4

UВЫХ, B

f, кГц 5.5 5.6 5.7 5.8 6.0 6.2 6.5 7 8

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В (здесь указано напряжение с выхода генератора; но при расчетах KU=UВЫХ/UВХ следует учитывать, что на входе схемы установлен делитель напряжения, ослабляющий сигнал от генератора в 100 раз).

Переключатель П2 установлен в положение 3, 4 или 5

Точка максимума АЧХ: f0= кГц; UВЫХ MAX = B

Таблица П2.4

f, кГц 2 3 3.5 3.8 4 4.2 4.4 4.5 4.6

UВЫХ, B

f, кГц 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.15 5.2 5.3 5.4

UВЫХ, B

f, кГц 5.5 5.6 5.7 5.8 6.0 6.2 6.5 7 8

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В (справедливы все замечания к табл. П2.3).

Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

76

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3 (маке т №1 0 )

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМЫ К118УН1 Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Вариант № : П1= , П2= , П3= , П4= , П5= , П6= , П7= , П8= (задаёт преподаватель – от 1 до 9) (заданная конфигурация макета, фиксируется студентами)

Снятие амплитудной характеристики усилителя(RH= Ом): Таблица П3.1

UВХ, B* 0.001 0.002 0.003 0.005 0.007 0.01 0.02

UВЫХ, B

UВХ, B* 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.5

UВЫХ, B * Примечание: здесь и в остальных таблицах указаны значения UВХ, реально измеряемые вольтметром, подключенным к входным клеммам макета.

Измерения для исследования входного сопротивления: UВЫХ ИСХ= В, П1= (RДОП=R6= кОм): UВЫХ ДОП= В Измерения для исследования выходного сопротивления: UВЫХ ИСХ= В, UВЫХ ХХ= В

77

Снятие АЧХ усилителя в различных конфигурациях: 1) П1= , П2= , П3= , П4= , П5= , П6= , П7= , П8= 2) П1= , П2= , П3= , П4= , П5= , П6= , П7= , П8= 3) П1= , П2= , П3= , П4= , П5= , П6= , П7= , П8=

Таблица П3.2*

Конфиг. 1 2 3

fВХ, Гц UВЫХ, В

10

20

50

102

2⋅102

3⋅102

5⋅102

7⋅102

103

2⋅103

3⋅103

5⋅103

104

2⋅104

5⋅104

105

2⋅105

* Примечание: UВХ= В Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

78

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №4 (маке т №2 1 )

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА МИКРОСХЕМЕ К174УН4Б

Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Снятие амплитудных характеристик усилителя в различных схемах включения

Таблица П4.1* П2 2 2 1

RОС RОС=2.7 кОм RОС=2.7 кОм RОС=1.3 кОм

П4 1 2 2

подключение RН к +UПИТ. к общему проводу к общему проводу

UВХ, В** U ВЫХ, В

0.01

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

0.7

1

2

* Примечание: fВХ= Гц; RН=6 Ом; CРАЗД.=1 мкФ (П1=3). ** Отмечать напряжение с выхода генератора (реальное напряжение на входе

микросхемы окажется меньше в 10 раз вследствие ослабления делителем R1-R2; в дальнейших расчетах это следует учесть, уменьшив значения в 10 раз).

79

Исследование амплитудно-частотной характеристики усилителя в различных схемах включения

Таблица П4.2*

П2 2 1 2 2 1

RОС RОС=2.7 кОм RОС=1.3 кОм RОС=2.7 кОм RОС=2.7 кОм RОС=1.3 кОм

П3 2 3 4

нагрузка 6 Ом 8 Ом 0.1 мкФ 8 Ом 1 мкФ

fВХ, Гц UВЫХ, В

10

20

50

102

2⋅102

5⋅102

103

2⋅103

5⋅103

104

2⋅104

5⋅104

105

2⋅105

* Примечания: UВХ= В (отметить напряжение с выхода генератора, реальное напряжение на входе микросхемы меньше в 10 раз вследствие ослабления делителем R1-R2); CРАЗД.=1 мкФ (переключатель П1 установлен в положение 3); нагрузка подключена к +UПИТ. (переключатель П4 установлен в положение 1). Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

80

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №5 (маке т №5 )

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВЫХОДОМ

Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Исследование однотактного усилителя мощности в режиме класса А

Таблица П5.1

UВХ, B 0.01 0.02 0.04 0.07 0.1 0.2 0.4 0.6

UВЫХ, B

IК, мА

Снятие зависимости выходного напряжения однотактного усилителя мощности в режиме класса А от сопротивления нагрузки

Таблица П5.2*

SA3 7 6 5 4 3 2 1

RH, Ом 4 8 12 16 20 24 28

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В.

Исследование однотактного усилителя мощности в режиме класса А при включенном стабилизирующем сопротивлении

Таблица П5.3

UВХ, B 0.01 0.02 0.04 0.07 0.1 0.2 0.4 0.6

UВЫХ, B

IК, мА

81

Исследование двухтактного усилителя мощности в режиме классов А, АВ и В

Таблица П5.4

режимы классов

UВХ, B 0.01 0.02 0.04 0.07 0.1 0.2 0.4 0.6

класс А при UВХ=0: IK1= мА IK2= мА

UВЫХ, B

IК1, мА

IК2, мА

класс АB при UВХ=0: IK1= мА IK2= мА

UВЫХ, B

IК1, мА

IК2, мА

класс B при UВХ=0: IK1= мА IK2= мА

UВЫХ, B

IК1, мА

IК2, мА

Снятие зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки при работе двухтактного усилителя в режиме класса А

Таблица П5.5*

SA3 7 6 5 4 3 2 1 RH, Ом 4 8 12 16 20 24 28

UВЫХ, B

* Примечание: UВХ= В (установить ту же величину, что и в табл. П5.2). Снятие зависимости выходного напряжения от частоты входного сигнала при работе двухтактного усилителя в режимах классов А и В

Таблица П5.6*

f, кГц 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100

UВЫХ А, B

UВЫХ В, B

* Примечание: UВХ= В (установить ту же величину, что и в табл. П5.5). Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

82

ПРОТОКОЛ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №6 (маке т №7 )

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Работу выполняли студенты группы : (дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

(дата, подпись) (Ф.И.О.)

Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)

Снятие нагрузочной характеристики стабилизатора (напряжения UВХ= и UВЫХ= измерять либо вольтметрами постоянного тока, либо осциллографом при открытом входе: трехпозиционные переключатели около входов установить в положение " ~ ")

Таблица 6.1*

SA1 SA2 7 6 5 4 3 2 1

RН, Ом 4 6 8 10 12 20.2 32.2

I UВЫХ=, В

IН , А

II UВЫХ=, В

IН , А * Примечание: UВХ= = В (устанавливается регулятором "Рег. Е" лабораторной установки).

Снятие зависимостей выходного напряжения от входного при различных сопротивлениях нагрузки (сквозных характеристик стабилизатора)

Таблица 6.2*

SA1 UВХ= , В min

max

I UВЫХ=, В

IН , А

II UВЫХ=, В

IН , А

* Примечание: SA2 установлен в положение 1 (RН=32.2 Ом)

83

Таблица П6.3*

SA1 UВХ= , В min

max

I UВЫХ=, В

IН , А

II UВЫХ=, В

IН , А

* Примечание: SA2 установлен в положение (установить любое, кроме 1). Исследование характеристик подавления пульсаций входного напряжения UВХ≈ и UВЫХ≈ амплитуды пульсаций напряжений на входе и выходе, измеряются НЕ по вольтметрам, а по экрану осциллографа при закрытых входах: трехпозиционные переключатели около входов следует установить в положение "∼".

Таблица П6.4*

SA1 SA2 7 6 5 4 3 2 1

RН, Ом 4 6 8 10 12 20.2 32.2

I UВХ≈ , В

UВЫХ≈, В

II UВХ≈ , В

UВЫХ≈, В

* Примечание: UВХ= = В (регулятором "Рег. Е" лабораторной установки установить то же значение, что и для табл. П6.1).

Данные измерений проверены. Преподаватель: (дата, подпись) (Ф.И.О.)