МИНОБРНАУКИ РОССИИ _____________ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» ЭЛЕКТРОНИКА Методические указания к лабораторным работам Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2012 УДК 621.396 Электроника: Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Виноградов, А. А. Погодин. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2012. 66 с. Содержат описания лабораторных работ, предназначенных для закрепления теоретических сведений, полученных при изучении аналоговых схем на операционных усилителях и транзисторах. Предназначены для подготовки бакалавров по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 220400 «Управление в технических системах», изучающих курс «Электроника». Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012 2 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» студенты измеряют основные параметры и характеристики электронных цепей (схем). Несмотря на существенные различия в построении и назначении схем, наборы измеряемых параметров для этих цепей отличаются незначительно. В данном разделе приведены методики измерения тех параметров и характеристик, которые необходимо измерять при выполнении нескольких лабораторных работ. 1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость напряжения на выходе (Uвыx) схемы от напряжения на ее входе (Uвx). АХ измеряют на одной частоте, поэтому на вход цепи подают гармонический сигнал частотой (f), как правило, лежащей в полосе пропускания (усиления) схемы. Методику измерения АХ поясняет рис. М.1: источником сигнала является генератор (Г); поскольку часто генератор не содержит измерительного прибора, позволяющего точно контролировать уровень напряжения на его выходных клеммах, то к этим клеммам подключают вольтметр В1. Рис. М.1 С точки зрения исследуемой схемы выходное напряжение генератора, измеряемое вольтметром В1, является входным (Uвx). К выходу схемы подключают вольтметр В2, регистрирующий Uвыx, а также электронный осциллограф (ЭО). Назначение осциллографа – демонстрировать форму сигнала на выходе схемы: нарушение линейной зависимости АХ сопровождается появлением нелинейных искажений выходного сигнала, т. е. отклонением его от гармонической формы. В процессе измерений необходимо изменять Uвx при поддержании постоянства f. 2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) KU = KU(f), где KU = = | Uвыx/Uвx|. – коэффициент передачи схемы по напряжению. Для измере3 ния АЧХ применяют ту же схему (рис М.1), которая используется для измерения АХ. Однако теперь фиксируют Uвx (на уровне, при котором в выходном сигнале отсутствуют нелинейные искажения), а частоту изменяют. В процессе измерений удается зарегистрировать не коэффициент передачи, а лишь Uвыx, поэтому в дальнейшем следует обработать полученные данные. При построении графика АЧХ рекомендуется для большей наглядности частоту откладывать по оси абсцисс в логарифмическом масштабе: при этом любому десятикратному увеличению f соответствует отрезок фиксированной длины. Например, расстояние между отметками 10 и 100 Гц на оси выбрано равным 1 см; между отметками 100 Гц и 1 кГц следует также отложить 1 см, между 1 и 10 кГц такой же отрезок, и т. д. 3. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) (f), где – сдвиг фаз, который приобретает гармонический сигнал при прохождении через схему. Наиболее распространенный метод измерения ФЧХ – с использованием осциллографа, на экране которого получают фигуру Лиссажу. Методику измерений поясняет рис. М.2. Рис. М.2 Сигнал с выхода схемы, как правило, подают на вход Υ осциллографа, а входной – на вход Х. Поскольку сигналы имеют различные амплитуды, то надо обеспечить равенство их графических изображений («вписать фигуру Лиссажу в квадрат»). Регулировать размер изображения сигнала можно только по входу Υ. После получения на экране фигуры, имеющей в общем виде форму эллипса, необходимо измерить ее размеры и рассчитать сдвиг фаз по формуле, приведенной на рис. М.3. Поскольку амплитуда выходного сигнала может меняться в зависимости от частоты, необходимо при переходе от одного значения f к другому заново обеспечивать равенство горизонтального и вертикального размеров 4 фигуры Лиссажу – в противном случае при измерении фазы будет иметь место ошибка. 4. Входное сопротивление (Rвx) схемы – отношение входного напряжения к входному току. Методику измерений поясняет рис. М.4. Между генератором и входом исследуемой схемы включают магазин сопротивлений (МС). Применяемые в учебной лаборатории МС обеспечивают удовлетворительную точность измерений при частотах сигнала не более 3 кГц. Первона- Рис. М.4 чально устанавливают нулевое сопротивление магазина (Rм) и при этом фиксируют напряжение на вольтметре (оно равно напряжению на выходе генератора). Затем сопротивление магазина плавно увеличивают до тех пор, пока напряжение не снизится вдвое. Это означает, что магазин и входное сопротивление образовали делитель из двух равных сопротивлений, т. е. входное сопротивление схемы равно сопротивлению магазина. 5. Выходное сопротивление схемы (Rвыx) – отношение выходного напряжения к выходному току. Методику измерений поясняет рис. М.5. Рис. М.5 5 В начале измерений устанавливают максимально возможное сопротивление магазина, при этом магазин и вольтметр В2 соединяют параллельно и фиксируют показания вольтметра. Постепенно уменьшая сопротивление магазина, добиваются снижения напряжения, регистрируемого вольтметром, вдвое: при этом Rм равно Rвыx исследуемой схемы. Внимание! Подключение магазина с малым сопротивлением может привести к выходу из строя как макета, так и магазина сопротивлений. Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ Целью работы является практическое ознакомление с пассивными и активными дифференцирующими и интегрирующими цепями – как со схемами, преобразующими форму импульсных сигналов, так и как с фильтрами. Основные положения. Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 1.1. Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U0 и длительностью τи), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения UR. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения UR является одновременно выходным сигналом ДЦ (Uвыx). Напряжение UC возрастает по экспоненциальному закону, при этом принято считать, что заряд завершается за время, равное 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U0, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению. После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравне6 нию с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя. Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 1.2). Возможны два варианта: 1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного импульса, т. е. 3τ < τи; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 1.2, а); 2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τи), поэтому разряд начинается не с −U0, а с уровня −UCmax, инверсного достигнутому при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −UCmax меньшую, чем входной сигнал (рис. 1.2, б). Рис. 1.2 7 Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифференцирования: εд = (3τ /τи)∙100. Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Емкости C соответствует сопротивление XC = 1/(2πfC), убывающее с ростом частоты. R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jXC). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффициентом передачи схемы КU.. При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ XC = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на выход без потерь и КU = 1. ДЦ является фильтром высоких частот. Интегрирование в математическом плане является операцией, обратной дифференцированию. Реализующая функцию интегрирования пассивная цепь (интегрирующая цепь (ИЦ), рис. 1.3) очень похожа на ДЦ, однако элементы R и C в схемах ДЦ и ИЦ переставлены местами. В ИЦ Uвыx = UC. При подаче на вход ИЦ видеоимпульса прямоугольной формы положительной полярности, имеющего амплитуду U0 и длительность τи, конденсатор будет заряжаться, зарядный ток потечет через сопротивление R. После окончания входного импульса (начиная с момента τи) конденсатор разряжается. Таким образом, процессы в пассивных ДЦ и ИЦ полностью совпадают. Различие заключается лишь в том, на каком элементе схемы напряжение является выходным. Преобразование импульсов интегрирующей цепью иллюстрируют диаграммы напряжений рис. 1.4 (а – случай τи > 3RC; б – τи < 3RC). 8 Для обеспечения высокого качества интегрирования необходимо заряжать конденсатор как можно медленнее, так как только начальный участок экспоненты близок к линейной функции (интегралом от постоянной величины является линейная функция). Ошибка интегрирования [%] определяется как εи = (τи /3τ)100. Эта формула является обратной по отношению к выражению для εд. К сожалению, улучшение качества интегрирования в пассивной ИЦ сопровождается снижением амплитуды Uвыx, и при очень малых εи сигнал может быть утрачен. Пассивная ИЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции фильтра низких частот (ФНЧ). Как и в ДЦ, резистор R и XC образуют делитель из двух сопротивлений, но в ИЦ коэффициент деления равен (−jXC)/(R − jXC). При f = 0 XC → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 1, при f → ∞ XC = 0, конденсатор шунтирует выход схемы и КU = 0. Схемы активных дифференцирующей и интегрирующей цепей на базе операционного усилителя приведены, соответственно, на рис. 1.5, а и б. В общем виде передаточная характеристика таких цепей в диапазоне рабочих частот ОУ может быть описана соотношением K(jf) = −Zо.с(jf)/Zвх(jf), 9 где Zо.с и Zвх – комплексные сопротивления цепи обратной связи и входной цепи соответственно. Формула является приближенной, так как не учитывает тот факт, что коэффициент усиления ОУ имеет хотя и огромное, но все же конечное значение. а б Рис.1.5 В цепи на рис. 1.5, а Zо.с(jf) = R, а Zвх(jf) = 1/j2πfС, т. е. K(jf) = j2πfСR, цепь является фильтром высоких частот, а с точки зрения преобразования формы сигнала – дифференцирующей. Аналогично, цепь рис. 1.5, б имеет передаточную характеристику K(jf) = 1/j2πfСR, т. е. является фильтром низких частот, а значит, интегрирующей цепью. Достоинствами активных дифференцирующих и интегрирующих цепей по сравнению с пассивными являются большая точность выполнения соответствующих математических функций, а также возможность одновременно усиливать сигнал и преобразовывать его форму. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Галетный переключатель позволяет поочередно исследовать различные дифференцирующие и интегрирующие цепи; параметры цепей можно изменять с помощью коммутаций элементов R и С на лицевой панели макета. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегрирующие цепи как фильтры: а) измерить амплитудно-частотные характеристики цепей в диапазоне частот (f) 10 Гц…1 МГц. Параметры цепей (значения R и С) устанавливать по указанию преподавателя; 10 б) определить граничные частоты (fгр) исследованных цепей, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]. 3. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегрирующие цепи как преобразователи формы импульсов: а) для этого подать с генератора на входы различных цепей сигналы в виде меандра с различной длительностью импульсов (τи), зарисовать с экрана осциллографа или сфотографировать форму сигналов на выходах цепей; б) определить ошибки дифференцирования и интегрирования (εд и εи). Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях. 2. Схемы исследованных дифференцирующих и интегрирующих цепей. 3. Результаты измерений и расчетов по пп. 2, 3 (графики АЧХ, значения fгр, форма выходных сигналов с указанием τи, значения εд и εи). 4. Выводы. Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ Целью работы является практическое ознакомление с простейшими схемами включения транзисторов – схемой с общим эмиттером, схемой с общим коллектором и схемой с общей базой и с двумя другими, относительно более сложными схемами. Основные положения. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 2.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал Uвx приложен к переходу эмиттер – база, т. е. Uвx = Uбэ = б – э, где б и э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). 11 Рис. 2.1 Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение (Uвыx) равно падению напряжения между коллектором и эмиттером (Uкэ): Uвыx = Uкэ = к – э, где к – потенциал коллектора. Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для Uвx, и для Uвыx, чем и объясняется название схемы. Схема с общим эмиттером усиливает сигнал как по напряжению, так и по току, при этом сигнал приобретает фазовый сдвиг 180º. Более подробно модификации схемы с ОЭ изложены в работах № 3 и 4. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 2.2. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер. Коллектор накоротко соединен с источником питания, к = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Сопротивления R б1 и Rб2 используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения Uвx = = E(Rб2/(Rб1 + Rб2)). Сопротивление Rэ обеспечивает получение переменного выходного сигнала. Конденсаторы Сp1 и Сp2 называются разделительными и обеспечивают «развязку» соседних каскадов по постоянному току. Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем б = Uбэ + э, а выходной сигнал равен э = = IэRэ. Таким образом, Uвx = Uбэ + Uвых. Увеличение Uвx приводит к тому, что p–n-переход эмиттер – база транзистора становится более открытым, Iэ растет и увеличивается Uвыx = IэRэ. Вместе с тем, рост Iэ вызывает возрастание э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и 12 эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но э меняется несколько меньше, чем б. Коэффициент передачи по напряжению (КU) у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1 и равен KU = Uвыx/Uвx = SRэ/(1 + SRэ) < 1, зато коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх = Iэ/Iб >> 1. Сдвиг фаз в схеме = 0 (так как б и э меняются синхронно). Поскольку при KU ≈ 1 = 0 выходной сигнал схемы практически повторяет сигнал на ее входе, то схему с ОК часто называют повторителем, точнее, эмиттерным повторителем (так как выходным электродом является эмиттер). В электронике широко используется тот факт, что выходное сопротивление схемы с ОК невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (например, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то Rэ выбирают из соотношения Rэ = Rн (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что Rн может быть малым, выбирают Rэ порядка единиц – десятков ом. Рис. 2.3 Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал Uвx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что Uвыx = к, т. е. Uвыx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назначение элементов R б 1 , Rб2, Сp1, Сp2 и Rк в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со 13 схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (Cб), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу. Схема работает следующим образом. Когда Uвx≈ имеет положительную полярность, Э возрастает, в результате чего Uбэ = б – э снижается и p–n-переход эмиттер – база частично закрывается. Ток Iэ уменьшается, в результате уменьшается и ток Iк ≈ Iэ, снижается падение напряжения на сопротивлении Rк, а потенциал коллектора к = Е – I кR к возрастет. Так как к≈ ≈ Uвыx≈, то при увеличении мгновенного значения Uвx≈ увеличивается и мгновенное значение Uвыx≈. При отрицательной полярности Uвx≈ происходят аналогичные процессы. Входное сопротивление схемы Rвх = Rэ׀׀rбэ, где rбэ – эквивалентное сопротивление открытого p–n-перехода эмиттер – база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков ом. Выходное сопротивление Rвых ненагруженной схемы определяется параллельным соединением R к и эквивалентным сопротивлением rкэ транзистора, включающим закрытый p–n-перехода коллектор – база, и поэтому велико. Однако, если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится меньшим, чем Rвх. Коэффициент усиления по напряжению KU = Uвыx≈/Uвx≈ = (I кR к)/[Iэ(Rэ׀׀rбэ)] ≈ R к/(Rэ׀׀rбэ) = R к/Rвх. При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует R к, и в формулу для KU вместо этого сопротивления следует подставить значение выходного сопротивления, которое меньше Rвх: получается, что KU < 1. Коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх = Iк/Iэ ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет. Кроме трех простейших транзисторных схем часто используют две более сложные: схему с общей базой объединяют со схемой с общим эмиттером в единый каскад – так называемую каскодную схему (рис. 2.4). Входной сигнал в ней поступает на схему с общим эмиттером. 14 Транзистор схемы с ОБ включен как бы «вместо» коллекторной нагрузки схемы с ОЭ. Схема обладает малой выходной емкостью, поэтому хорошо работает на высоких частотах. Кроме того, при использовании каскодной схемы изменения в значении нагрузки практически не влияют на работу основного усилительного транзистора (на котором собрана схема с ОЭ). Рис. 2.4 Рис. 2.5 Еще в одной схеме (рис. 2.5) за счет особого соединения транзисторов удается получить большой коэффициент усиления по току: коллекторный ток первого транзистора схемы является для второго транзистора базовым. По фамилии разработчика схема, представленная на рис. 2.5, называется схемой Дарлингтона. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Переключатель на лицевой панели макета позволяет поочередно исследовать различные схемы включения транзисторов. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать схему с общим эмиттером: а) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения Uвx от 10 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить Uлин max – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты 15 (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]; в) измерить значения фазочастотной характеристики, при этом значение f выбрать примерно соответствующим середине полосы усиления; г) определить входное сопротивление схемы (значение Uвx выбрать таким, чтобы выходной сигнал не имел нелинейных искажений, а f принять в пределах полосы усиления); д) определить выходное сопротивление схемы (значения Uвx и f выбрать такие же, как и при выполнении п. 2, г). 3. Исследовать схему с общей базой в соответствии с п. 2. 4. Исследовать схему с в соответствии с п. 2 (при измерении амплитудной характеристики значение Uвx не должно превышать 5 В). 5. Исследовать каскодную схему (с общим эмиттером – общей базой) в соответствии с п. 2. 6. Исследовать схему Дарлингтона в соответствии с п. 2. Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях АХ, АЧХ, ФЧХ, значений Rвx и Rвыx. 2. Исследованные схемы. 3. Результаты измерений и расчетов по пп. 2–6 (графики АХ, АЧХ, значения Uлин max и fгр, измеренные значения ФЧХ, Rвx, Rвыx ). 4. Выводы. Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Целью работы является исследование характеристик усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Основные положения. Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения интенсивности сигналов без искажения их формы. По роду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических сигналов, усилители импульсных сигналов и усилители постоянного тока. В свою очередь, усилители гармонических сигналов делятся на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ). УНЧ предназначены для усиления сигналов с частотами от нескольких десятков герц 16 до сотен килогерц. УВЧ служат для усиления колебаний высоких частот – порядка сотен килогерц и выше. Полоса усиливаемых частот в УВЧ обычно мала, поэтому в качестве нагрузки таких усилителей используют резонансные системы; отсюда их название – резонансные усилители. В данной лабораторной работе исследуется УНЧ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Схема усилителя приведена на рис. 2.1. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений Rб1 и Rб2 (соединение Rб1 и Rб2 называют базовым делителем), поэтому б всегда превышает э и переход эмиттер – база открыт. Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения Uвx= = E(Rб2/(Rб1 + Rб2)) поступает также переменный сигнал Uвx≈ (для простоты примем, что Uвx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда Uвx≈ имеет положительную полярность, p–n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда Uвx≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется Uвx= + Uвx≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p–n-переход эмиттер – база называют током эмиттера (Iэ). Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы Iб << Iэ и ток коллектора Iк ≈ Iэ. В свою очередь, ток коллектора (Iк) течет через коллекторное сопротивление (Rк) и создает на нем напряжение UR = IкRк. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора к = Е – UR = Е – IкRк зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от Uвx. Для аналитического описания зависимости Iк от Uбэ часто используют параметр S = Iк/Uбэ, который называется крутизной. Единица измерения крутизны – ампер на вольт [А/В]. Термин «крутизна» связан с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак, 17 Uвыx = к – э = Е – IкRк = Е – S Uбэ Rк = Е – S Rк(Uвx= + Uвx≈) = = Е – S RкUвx= – S RкUвx≈. Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение Uвых=, а переменный выходной сигнал равен Uвыx≈ = – S RкUвx≈. Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению KU = | Uвыx≈/Uвx≈| = S Rк. Емкости Cp1 и Сp2 представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Назначение резистора Rэ – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. К сожалению, наличие Rэ негативно влияет на коэффициент усиления схемы, поэтому на рабочих частотах сигнала его шунтируют, применив для этой цели блокировочный конденсатор Сэ. На характеристики УНЧ оказывает влияние также паразитная емкость Спар: ее обычно учитывают как подключенную между коллектором транзистора и землей. Амплитудная характеристика схемы с общим эмиттером приведена на рис. 3.1, амлитудно-частотная – на рис. 3.2. 18 Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, два вольтметра переменного напряжения, генератор гармонических сигналов и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 3.3. Рис. 3.3 С помощью перемычек на макете можно устанавливать различные значения коллекторного сопротивления (R3, R4), одной из разделительных (С5, С6) и блокировочной (С2, С3) емкостей; возможно и отключение блокировочной емкости. Емкости С7 и С8 имитируют паразитную емкость. Кроме того в схеме можно с помощью резистора R5 и конденсатора С4 создать частотнозависимую обратную связь. Потенциометр R6 позволяет изменять значение встроенного в макет сопротивления нагрузки. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать амплитудную характеристику усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение; 19 б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения Uвx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить Uлин max – максимальное значение входного сигнала, при котором график амплитудной характеристики не отклоняется от линейной зависимости; в) повторить измерение при Rк = R4. 3. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]; в) повторить измерение при Rк = R4. 4. Исследовать влияние емкости разделительного конденсатора на частотные свойства усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С6, Сэ = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю граничную частоту (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]. 5. Исследовать влияние емкости блокировочного конденсатора на частотные свойства усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С3; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]; в) повторить измерение при отключении как С2, так и С3. 6. Исследовать влияние паразитной емкости на амплитудно-частотную характеристику усилителя: 20 а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С3; Спар = = С7, R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 кГц…200 кГц. Определить верхнюю граничную частоту (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]; в) повторить измерение при Спар = С8. 7. Исследовать влияние обратной связи на свойства усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С2; С7 и С8 отключить. Подключить обратную связь R5–С4. Потенциометр R6 установить в среднее положение; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]. 8. Исследовать влияние нагрузки на частотные свойства усилителя: а) собрать схему, установив на макете Rк = R3, Ср2 = С5, Сэ = С2; С7 и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в крайнее левое положение; б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения Uвx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить Uлин max – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного; в) повторить измерение при крайнем правом положении R6; г) измерить АЧХ схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях амплитудных и амплитудно-частотных характеристик. 2. Схема макета. 3. Результаты измерений и расчетов по пп. 2–8 (графики АХ, АЧХ, значения Uлин max и fгр). График АЧХ, измеренной для схемы п. 3, а следует сопоставлять отдельно с графиками АЧХ, снятыми во всех остальных случаях (пп. 3, в; 4, б; 5, б; 6, б; 7, б; 8, г). 4. Выводы. 21 Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ Целью работы является исследование широкополосного импульсного усилителя с корректирующими цепями, позволяющими улучшить его амплитудно-частотную характеристику. Основные положения. При усилении широкополосных сигналов (к ним относятся и импульсные, ширина спектра которых обратно пропорциональна длительности импульса) важной задачей является сохранение соотношений между амплитудами гармоник в спектре, а значит, и формы сигнала в функции времени. В частности, искажения формы прямоугольных видеоимпульсов характеризуют длительностью фронтов импульса (τф) и спадом его вершины (рис. 4.1). Длительность фронта, приобретаемого импульсом при прохождении через усилитель, обратно пропорциональна верхней граничной частоте амплитудно-частотной характеристики усилителя τф = 0,35/fв.гр. Спад вершины импульса ΔU в процентах от его амплитуды Umax связан с нижней граничной частотой fн.гр, а также с длительностью импульса на входе усилителя (τи) формулой ΔU/ Umax [%] = 628 τи fн.гр. Очевидно, что во многих случаях необходимо откорректировать имеющуюся АЧХ, понизить fн.гр и увеличить fв.гр. Коррекция (исправление) АЧХ усилителя осуществляется с помощью внесения в его схему дополнительных элементов. Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением Rк – коллекторного сопротивления (рис. 4.2) на два: Rк1 и Rк2. Средняя точка делителя через емкость Cф соединяется с землей. На низких частотах Cф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при опре22 делении коэффициента усиления схемы, который определяется суммой сопротивлений в цепи коллектора и равен KU = S(Rк1 + Rк2). На высоких частотах Cф превращается в короткое замыкание и шунтирует Rк2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен KU = SRк1. Cф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания и через него – в другие каскады электронного устройства (именно поэтому емкость помечена индексом «ф»). Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с Rк ставят катушку индуктивности L (рис. 4.3). Такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ. Настройка схемы очень сложна, так как значение паразитной емкости изменяется при касании элементов руками, паяльником или пинцетом. 23 Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.4). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме элемента, габариты которого заметно крупнее остальных, а именно катушки индуктивности. Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему (схема некорректированного усилителя изображена на рис. 2.1) дополнительных элементов. При этом существенно уменьшается значение емкости Cэ. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует Rэ на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая Cэ (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует Rэ и на низких и средних частотах сигнала, при этом KU снижается. Только на высоких частотах Cэ закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением KU усилителя на низких и средних частотах. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 4.5. С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы коррекции. Кроме собственно усилителя на транзисторе VT1 в макет входит также эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT2. 24 Рис. 4.5 Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных схем коррекции: а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует; б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)]; в) повторить измерение при введении сопротивления R3; г) повторить измерение при введении эмиттерной высокочастотной коррекции в диапазоне 20 Гц…2 МГц; д) повторить измерение при введении индуктивной высокочастотной коррекции в диапазоне частот 20 кГц…2 МГц; е) повторить измерение при введении низкочастотной коррекции в диапазоне частот 20 Гц…20 кГц. 3. Исследовать влияние различных схем коррекции на форму прямоугольных импульсов: а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует; б) переключить генератор в режим формирования меандра. Установить период следования импульсов от 3 до 5 мс, зарисовать или сфотографировать 25 с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя; в) ввести низкочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов; г) установить длительность импульсов, вырабатываемых генератором от 8 до 10 мкс. Собрать схему, в которой коррекция отсутствует, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя; д) ввести индуктивную высокочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов. е) повторить измерение п. 3, д при введении эмиттерной высокочастотной коррекции (ИВЧК при этом устранить). 4. Рассчитать значения τф и ΔU/ Umax [%], исходя из измеренных при выполнении п. 2 нижних и верхних граничных частот. Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях. 2. Схемы усилителя при различных видах коррекции. 3. Результаты измерений и расчетов по пп. 2–4 (графики амплитудночастотной характеристики, значения fгр, зарисовки формы импульсов, измеренные и расчетные значения длительностей фронтов и спадов вершины импульсов). 4. Выводы. Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ В УСИЛИТЕЛЬНЫХ СХЕМАХ Целью работы является практическое ознакомление с использованием цепей отрицательной обратной связи в электронных схемах. Основные сведения. Под обратной связью понимают связь, осуществляющую передачу всей или части энергии с выхода на вход электронной цепи. Цепь, через которую подается энергия обратной связи, называют цепью обратной связи (ЦОС). Напряжение на выходе цепи обратной связи называют напряжением обратной связи (Uо.с). Отношение напряжения обратной связи к выходному напряжению называется коэффициентом обратной связи: γ = Uо.с/Uвых < 1. 26 Если входное напряжение электронной цепи (Uвx) совпадает по фазе с Uо.с, то такая обратная связь называется положительной. Если же входное напряжение электронной цепи находится в противофазе с напряжением обратной связи, то такая обратная связь называется отрицательной. Иногда на практике обратная связь в электронных цепях возникает и при отсутствии реальной цепи обратной связи, т. е. непроизвольно. В этом случае в качестве цепи обратной связи выступают междуэлектродные емкости в электронных приборах, емкости между проводами и т. д. Такая обратная связь является нежелательной и называется паразитной. По способу подачи напряжения обратной связи на вход электронной схемы различают параллельную и последовательную обратные связи. Если источники входного сигнала и напряжения обратной связи включены последовательно, то такая обратная связь называется последовательной (рис. 5.1). Если же эти напряжения включены параллельно, то и связь называется параллельной (рис. 5.2). Рис. 5.1 Рис. 5.2 При параллельной обратной связи во входную цепь включают резистор, предотвращающий шунтирование выходного сопротивления цепи обратной связи источником входного напряжения. По способу формирования напряжения обратной связи, т. е. по тому, как ЦОС подключена к выходу электронной схемы, различают обратную связь по току и по напряжению. Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с зажимов сопротивления нагрузки электронной цепи (Rн), то такая связь осуществляется по напряжению (к этому типу обратных связей относятся схемы рис. 5.1 и 5.2). Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с резистора 27 Rо.с, включенного последовательно с нагрузочным сопротивлением, то это напряжение будет пропорционально току нагрузки и связь называется по току (рис. 5.3 и 5.4). При этом обратная связь рис. 5.3 является последовательной, а рис. 5.4 – параллельной. Рис. 5.3 Рис. 5.4 Из всех электронных цепей наиболее часто обратной связью охватывают усилительные схемы. Если усилитель охватить положительной обратной связью, то его коэффициент усиления увеличится: Kо.с = K/(1 – γ K ) >K, а для отрицательной обратной связи уменьшится: Kо.с = K/(1 + γ K ) < K, где K – коэффициент усиления при отсутствии ОС, а Kо.с – при ее введении. Поэтому положительную ОС применяют при создании автогенераторов, а отрицательную используют для предотвращения паразитного самовозбуждения усилителей и общего повышения стабильности его параметров. В лабораторной работе исследованию подлежит только отрицательная обратная связь. Введение обратной связи влияет на параметры усилителей. Так, входное сопротивление усилителя зависит от того, как ЦОС подключена к его входу: при последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление увеличивается в (l + γK) раз, при параллельной – уменьшается (для схемы рис. 5.2 Rвx o.c = R1 + R2/(1 + K)). Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, уменьшается в (1 + γK) раз, а охваченного обратной связью по току – увеличивается в такое же количество раз. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. 28 Лицевая панель макета приведена на рис. 5.5. С помощью перемычек на макете можно подключать к усилителю различные цепи обратной связи и задавать разные значения их коэффициентов передачи. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных цепей обратной связи: а) собрать схему с параллельной обратной связью по напряжению (рис. 5.2); б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…3 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)], а также частоту единичного усиления (fЕУ); в) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по напряжению (рис. 5.1); 29 г) повторить измерение при введении параллельной обратной связи по току (рис. 5.4); д) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по току (рис. 5.3). 3. Исследовать влияние различных схем обратной связи на входное сопротивление усилителя: а) собрать схему с параллельной обратной связью. Измерить входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью; б) повторить измерение при включении параллельной обратной связи по току. 4. Исследовать влияние различных схем обратной связи на выходное сопротивление усилителя: а) собрать схему с обратной связью по напряжению. Измерить выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью; б) повторить измерение при включении обратной связи по току (подключение ЦОС ко входу усилителя сохранить таким же, как в п. 4, а). Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях. 2. Схема макета. 3. Графики АЧХ, значения fгр и fЕУ, полученные при обработке результатов измерений, проведенных при выполнении п.2. 4. Значения входных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 3). 5. Значения выходных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 4). 6. Выводы. Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ). Основные сведения. Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только 30 коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы. ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отмечен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на Рис. 6.1 инвертирующий вход. Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е1 и Е2, причем Е1 = – E2. Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме Rвых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, 31 формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю. Основные параметры и характеристики ОУ: 1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала (Uвых) от амплитуды входного сигнала. В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях Uвх. Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на инвертирующий вход (U = U - ); 2 – она же при подаче на невx BX + ); участок –U инвертирующий вход (Uвx = U вx вx. max < Uвx < Uвx max соответ- ствует линейному усилению, при |Uвx| > Uвx max возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е, а Uвx max = E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ. 2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки. 3. Амплитудно-частотная характериРис. 6.2 стика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не 32 две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления). Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на Рис. 6.3 АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (fв. гр), соответствующей усилению 0,7Кmax, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (fУММ), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (fЕУ) – такую частоту, при которой КU = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = fЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот. 4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя. 5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А 33 9 имеет даже Rвx = 10 Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом. 6. Скорость нарастания большого сигнала – параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в процессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τф, для скорости и нарастания сигнала запишем v 2Е/τф. Значение v тесно связано с частотными свойствами ОУ: это очевидно, так как длительность фронтов τф ~ 1/fв.гр, где fв.гр – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с /fв.гр. одну и ту же физическую природу). 7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (tн) и время установления (tу). Очевидно, что τф = tн + tу. Если фронт – апериодический, то tу = 0 и τф = tн. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитному самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность самовозбуждения выше, чем при апериодическом. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напряжения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряжения, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 6.4. С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R1 = 100 Ом, R2 = 10 кОм, R12 = 100 кОм, R13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R14 – R17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R8 – R10, а также цепочка R11 –C4 позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя. 34 35 Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Измерить напряжение смещения (Uсм): а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R1, неинвертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока; б) снять показание вольтметра (Uвых ОУ); в) рассчитать напряжение смещения по формуле Uсм = – Uвых(R1/ R12). 3. Исследовать передаточные характеристики ОУ: а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник постоянного напряжения через резистор R2, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R14, а также вольтметр постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R8; б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать потенциометр R8 до тех пор, пока Uсм не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В; в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В). г) повторить измерение п. 3, в, заменив нагрузку R14 на R15 (R15 < R14). 4. Исследовать АЧХ ОУ: а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R2 генератор гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф; б) измерить fЕУ: поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя Uвых) до тех пор, пока Uвых не снизится до уровня входного сигнала, при этом f = fЕУ; в) измерить fУММ: заменить в обратной связи R12 на R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе f =1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ. Увеличивая f, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является fУММ. 36 5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала. Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τф, рассчитать v. Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях. 2. Результаты измерений и расчетов по пп. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения fЕУ, fУММ, τф, v). 3. Выводы. Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ КОРРЕКЦИИ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения. Основные сведения. В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопреки ee функциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд Кγ 1 и баланса фаз ΔφК + Δφγ = n 360°, n = 0, 1, 2, ..., где К и γ – соответственно, коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; ΔφК и Δφγ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи. На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения ΔφК. Если допустить, что значения γ и Δφγ от частоты не зависят, причем Δφγ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где ΔφК = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты ΔφК возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в 37 случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ . Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению. Рис. 7.1 Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя. Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на частотах, где ΔφК достигает 360°. Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь реактивных) элементов назы38 вается коррекцией. Цель коррекции может быть разной. В транзисторных усилителях ею пользуются обычно для поднятия коэффициента усиления, в том числе и на высоких частотах: у этих схем К намного ниже, чем у ОУ, и угроза паразитного самовозбуждения менее существенна. У схем на базе ОУ, напротив, с помощью коррекции, как правило, снижают коэффициент усиления в диапазоне частот, где имеется риск самовозбуждения. Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). В данной работе рассматриваются однополюсная и двухполюсная коррекции, коррекция с помощью параллельного канала и коррекция с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно одному из усилительных каскадов ОУ емкости Ск (рис. 7.2). Эта емкость на высоких Рис. 7.2 частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Недостатком коррекции является существенное уменьшение полосы усиления ОУ и, как следствие, снижение скорости нарастания импульсных сигналов. Схема двухполюсной коррекции приведена на рис. 7.3, а: она состоит из двух конденсаторов С1 и С2 и резистора R, причем С2 10С1. Действие схемы различно на разных частотах: при достаточно малых значениях часто- а б Рис. 7.3 39 ты сопротивление С2 велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С2 уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается в цепь однополюсной коррекции, причем функцию Ск выполняет эквивалентная емкость Сэ = С1С2/(С1 + С2). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 7.3, б изображены амплитудно-частотные характеристики ОУ: 1 – без коррекции, 2 – при использовании однополюсной и 3 – двухполюсной коррекций. Рис. 7.4 Рис. 7.5 Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4) в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше, и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ. Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала. Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе ΔφК сдвигом 40 фаз в цепи коррекции, так как ΔφК и Δφкор имеют разные знаки (рис. 7.6, где кривая 1 – график ΔφК; 2 – график Δφкор; 3 – их суммы). Введение коррекции наряду с решением главной задачи – предотвращением паразитного самовозбуждения схемы на основе ОУ – влечет за собой ухудшение ее частотных свойств. В разной степени, но непременно уменьшаются полоса пропускания усилителя и скорость нарастания выходного напряжения. Многообразие цепей коррекции позволяет разработчикам решать проблему устойчивости схем с учетом требований к другим важным параметрам ОУ. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов и меандра, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Схема макета приведена на рис. 7.6. В разделе «Порядок выполнения работы» использованы номера резисторов и конденсаторов, указанные на ней. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Проверить усилитель на склонность к возбуждению: а) соединить оба входа ОУ с землей: инвертирующий – через сопротивление R1, неинвертирующий – через R5 на макете. Охватить усилитель обратной связью – сопротивлением R6. К выходу ОУ подключить осциллограф; б) изменяя значение R6, определить зоны устойчивой и неустойчивой работы усилителя по изображению на экране осциллографа (при устойчивой работе на экране наблюдается прямая горизонтальная линия, возможно, с наложением на нее небольших шумов внешнего происхождения; при неустойчивой – широкая полоса). Зафиксировать значения R6, соответствующие обеим зонам. 3. Измерить АЧХ усилителя: а) гармонический сигнал от генератора подать через R1 на инвертирующий вход, неинвертирующий оставить заземленным через R5. К выходу ОУ параллельно осциллографу подключить вольтметр; б) установить уровень гармонического сигнала на входе усилителя 10 мВ 41 42 и, поддерживая ее постоянной, изменять частоту в пределах от 20 кГц до 2 МГц, измеряя при этом значение выходного сигнала с помощью вольтметра. Опыт проделать для значений R6, соответствующих устойчивой работе усилителя. 4. Исследовать форму импульсов на выходе усилителя при разных значениях сопротивления в обратной связи: а) переключить генератор в режим формирования меандра амплитудой 10 мВ и частотой следования 20 кГц, сохранив на лицевой панели макета все перемычки, установленные при выполнении п. 3; б) зарисовать (сфотографировать) осциллограммы импульсов при тех же значениях потенциометра R6, что и в пп. 2 и 3, измерить длительности их фронтов (τф). Рассчитать скорость нарастания сигнала по формуле v ≈ 2Е/τф. 5. Подключить к ранее собранной схеме однополюсную коррекцию ОУ (функцию корректирующей емкости выполняет в макете конденсатор С5). Повторить пп. 2–4 для случая подключения однополюсной коррекции. 6. Заменить однополюсную коррекцию двухполюсной (функцию цепи двухполюсной коррекции выполняют в макете конденсаторы С6, С7 и R7). Повторить пп. 2–4 для случая подключения двухполюсной коррекции. 7. Заменить двухполюсную коррекцию схемой коррекции с помощью параллельного канала (функцию цепи коррекции выполняют в макете конденсаторы С2 и С3). Повторить пп. 2–4. 8. Исследовать схему коррекции с фазовым запаздыванием. Подключить генератор к неинвертирующему входу ОУ через резистор R3, а инвертирующий вход ОУ заземлить через R2. Сохранить подключение R6 между инвертирующим входом и выходом ОУ. Функцию цепи коррекции выполняют последовательно соединенные С1 и R4, ее следует подсоединить между входами ОУ. Повторить пп. 2–4. Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов при измерениях. 2. Значения сопротивления R6, соответствующие зонам устойчивой и неустойчивой работы ОУ (согласно пп. 2, 5–8) 3. Графики АЧХ (согласно пп. 3, 5–8) 4. Форма импульсов, значения их τф и v (согласно пп. 4, 5–8). 5. Выводы. 43 Лабораторная работа № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРОВ Целью работы является практическое ознакомление с генераторами гармонических колебаний низкой частоты на основе RC-генераторов. Основные сведения. Под генератором, или автоколебательным устройством, подразумевается первичный источник колебаний, работающий в режиме самовозбуждения. Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания (обычно в виде постоянного тока) в энергию колебаний. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий: Кγ ≥1; (8.1) ΔφК + Δφγ = n 360°, n = 0, 1, 2, … (8.2) где К, γ – коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; ΔφК , Δφγ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи. Выражение (8.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (8.2) показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. сдвиг фаз в генераторе должен быть равен n 360°. Чтобы автоколебания были гармоническими, необходимо, чтобы баланс амплитуд и баланс фаз быстро нарушались по обе стороны от частоты генерации. Для этого цепь обратной связи выполняют избирательной с помощью RС-цепочек. Квазирезонанс наступает на частоте f0 = 1/ (2πRC). (8.3) Рассмотрим схемы генераторов с различными RC-цепочками в цепи обратной связи. Схема RC-генератора с мостом Вина приведена на рис. 8.1. 44 Так как в схеме моста Вина на частоте f0 сдвиг фаз равен 0, а коэффициент передачи γ = 1/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, получим автогенератор. Коэффициент усиления отрицательной обратной связи схемы регулируется с помощью сопротивления R3 в цепи отрицательной обратной связи. Схема RC-генератора с двойным Т-образным мостом приведена на рис. 8.2. Так как мост является режекторным фильтром, то он включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. В результате этого усилитель на всех частотах, кроме частоты f0, охвачен сильной отрицательной обратной связью. Кроме того, усилитель охвачен неглубокой положительной обратной связью, выполненной на сопротивлениях R4 и R5. На всех частотах, кроме f0, отрицательная обратная связь влияет сильнее, чем положительная, поэтому генерация имеет место лишь на частоте f0. Схема генератора, в котором используется трехзвенная RC-цепочка, приведена на рис. 8.3. Такая цепочка включается в цепь отрицательной обратной связи. С помощью сопротивлений R1 – R3 устанавливается сдвиг фаз φ0, который на некоторой частоте f0 будет равен 180°. В этом случае будет выполняться условие баланса фаз, и при некотором коэффициенте усиления операционного усилителя, регулируемом сопротивлением R4, будет компенсироваться затухание в цепи обратной связи и в схеме возникнут автоколебания. Изменение значения одного из элементов 45 RC-цепочек приводит к изменению сдвига фаз и, соответственно, смещает частоту генерации. Схема с двойным Т-образным мостом обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации. Для всех рассмотренных типов RC-генераторов весьма актуальным является сохранение хорошей формы гармонических колебаний при перестройке частоты, изменении внешних условий, напряжения питания, значения нагрузки. Режимы насыщения и отсечки у транзисторов наступают резко, что приводит к нелинейным искажениям сигнала. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят макет, осциллограф, генератор гармонических сигналов, вольтметр переменного напряжения и цифровой частотомер и измеритель нелинейных искажений. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать RС-генератор с мостом Вина (см. рис. 8.1): а) рассчитать по формуле (8.3) частоту колебаний генератора (f0) для схемы, элементы которой имеют параметры, указанные преподавателем; б) снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина в диапазоне частот (0,5…1,5)f0. Для этого подать с генератора низкой частоты на вход моста Вина гармонический сигнал амплитудой 1…2 В, амплитуду выходного сигнала измерять с помощью милливольтметра. На частоте квазирезонанса f0 измерить коэффициент передачи цепи; в) снять фазочастотную характеристику моста Вина в диапазоне частот (0,8…1,2) f0. Измерения произвести с помощью осциллографа; г) собрать схему генератора с мостом Вина в цепи обратной связи и с помощью потенциометра R3 добиться возникновения колебаний. Цифровым частотомером измерить частоту колебаний f0; д) меняя регулировочным сопротивлением значение отрицательной обратной связи (а значит, и коэффициент усиления К), определить минимальный коэффициент усиления, при котором возможно воз-никновение генерации. Для этого необходимо добиться возникновения в схеме генерации и с помощью милливольтметра измерить исходное напряжение генерации (Uген). Затем разомкнуть цепь обратной связи, отключив мост Вина от усилителя, подать на неинвертирующий вход ОУ напряжение с генератора гар46 монических сигналов с частотой f = f0 и такой амплитудой Uвх, при которой выходное напряжение усилителя будет равно Uген. Коэффициент усиления определяется по формуле К = Uвых / Uвх. 3. Исследовать RC-генератор с двойным Т-образным мостом (см. рис. 8.2) в соответствии с методикой, изложенной в п. 2, а–е. 4. Исследовать RC-генератор с трехзвенной RC-цепью: а) собрать схему генератора с трехзвенной RC-цепью (см. рис. 8.3). Изменяя параметры звена обратной связи (сопротивления R1 – R3), а также коэффициент усиления усилителя (сопротивление R4), добиться возникновения генерации. Наличие генерации определить по показаниям вольтметра или осциллографа, подключенного к выходу макета; б) измерить частоту колебаний автогенератора; в) произвести исследования по методике, изложенной в п. 2, а–е. Содержание отчета: 1. Схемы исследуемых генераторов и схемы соединения приборов. 2. Результаты измерений и расчетов по пп. 2–4. 3. Выводы. Лабораторная работа № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ Целью работы является изучение схем аналоговых электронных ключей, построенных на различных полупроводниковых приборах. Основные сведения. Аналоговый электронный ключ – это устройство, предназначенное для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку. В аналоговых ключах полупроводниковые приборы работают в ключевых режимах. При этом ключ имеет два устойчивых состояния: открытое и закрытое. При одном из состояний ключа напряжение в нагрузке минимально (в идеальном случае равно нулю), при другом – максимально (в идеале равно напряжению источника сигнала). Режим работы ключа задаётся внешним управляющим сигналом, в качестве которого в данной лабораторной работе используется меандр – последовательность прямоугольных видеоимпульсов 47 со скважностью 2. Схемы аналоговых ключей делят на два основных класса в зависимости от включения по отношению к нагрузке: параллельные (рис. 9.1) и последовательные (рис. 9.2). Основными параметрами ключа являются: – коэффициент коммутации, различным образом определяемый для разных типов ключей: Кк = Uвых. откр /Uвых. закр – для последовательного ключа; Кк = Uвых. закр/Uвых. откр – для параллельного, где Uвых. откр и Uвых. закр – соответственно, напряжения на выходе открытого и закрытого ключей. Очевидно, что ключ тем эффективнее, чем больше коэффициент коммутации. У идеального ключа Кк стремится к бесконечности; – коэффициент передачи ключа, равный Кп = Uвых. откр/ /Uвх для последовательного ключа и Кп = Uвых. закр/Uвх – для параллельного, где Uвх – напряжение на входе ключа. Так как ключ в режиме пропускания от источника в нагрузку не должен вызывать ослабление сигнала, но и вместе с тем не предназначен для его усиления, то в идеальном ключе Кп = 1; – амплитудно-частотная характеристика ключа – зависимость коэффициента передачи от частоты сигнала; – пороговое напряжение – такое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется; – входные сопротивления по сигнальному и управляющему входам; – чувствительность – разность амплитуд управляющих импульсов, при которых обеспечивается Кк = 10 и Кк = 1,1; – быстродействие ключа, которое характеризуется временем его переключения из одного состояния в другое (от уровня 0,1Uвых max до уровня 0,9Uвых max). 48 В лабораторной работе рассматриваются четыре различные схемы ключей. На рис. 9.3 приведена схема последовательного аналогового ключа на диодах. При отсутствии сигнала на управляющем входе транзистор VТ2 закрыт. Положительное коллекторное напряжение закрывает диоды VD1 и VD2. При подаче на управляющий вход положительного напряжения транзистор VТ2 открывается и на его коллекторе появляется отрицательное напряжение, открывающее диоды. Входной сигнал проходит на выход. Диодный ключ работает в широком диапазоне частот. Нижняя граничная частота данного ключа зависит от значений разделительных емкостей. На рис. 9.4 приведена схема параллельного ключа на биполярном транзисторе. При отсутствии управляющего напряжения транзистор закрыт, и входной сигнал беспрепятственно проходит на выход, так как сопротивление закрытого транзистора велико и он не шунтирует нагрузку. При подаче положительного напряжения на управляющий вход транзистор открывается и переходит в режим насыщения: его сопротивление становится очень малым и он шунтирует нагрузку; при этом практически весь входной сигнал будет падать на сопротивлении R1. Двойной параллельный электронный ключ на полевых транзисторах изображён на рис. 9.5. Принцип действия его аналогичен принципу действия ключа на биполярном транзисторе. Схема отличается большим значением коэффициента коммутации. Емкости С1 и С2 предназначены для уменьшения выбросов управляющего напряжения при открывании ключа. Достоинствами 49 схемы являются ее очень большое входное сопротивление (порядка единиц мегаом), а также возможность коммутировать сигналы очень низкого уровня (единицы микровольт). На рис. 9.6 приведена схема аналогового ключа на оптронах – полупроводниковых приборах, содержащих в одном корпусе светодиод и фотодиод, оптически связанные между собой. Данная схема является комбинированной (последовательно-параллельной). При подаче на управляющий вход положительного напряжения в оптроне VD1 зажигается светодиод, фотодиод открывается и входной сигнал проходит на выход. В оптроне VD2 светодиод остается закрытым, темновое сопротивление фотодиода велико и не влияет на значение выходного напряжения. При подаче на управляющий вход отрицательного напряжения светодиод в оптроне VD1 остается закрытым, сопротивление фотодиода велико и сигнал в нагрузку не поступает. Одновременно открывается светодиод в оптроне VD2, сопротивление фотодиода резко уменьшается и шунтирует нагрузку, дополнительно ослабляя входной сигнал. Достоинством ключа на оптронах является отсутствие гальванической связи между управляющим входом и цепью, соединяющей источник сигнала и нагрузку. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов, генератор гармонического сигнала, вольтметр переменного напряжения, магазин сопротивлений и двухканальный осциллограф. Порядок выполнения работы: 1. Исследовать ключ на диодах: а) включить с помощью переключателя схему, изображенную на рис. 9.3. Установить напряжения источников питания +9 и –12 В; 50 б) подать с генератора гармонических сигналов на входы 1 и 2 исследуемой схемы напряжение амплитудой Uвх = 0,5 В с частотой f = 1 кГц; в) подать с генератора прямоугольных импульсов на входы 3 и 4 ключа импульсы амплитудой Uупр = 10 В длительностью 5 мс. Зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму напряжений на выходе и на входах 1–2 и 3–4 ключа. Измерить значения Uвых при двух состояниях ключа; г) рассчитать значения коэффициентов коммутации и передачи исследуемого ключа на основании результатов измерений; д) снять амплитудно-частотную характеристику ключа. Для этого при постоянном уровне Uвх изменять частоту (f) сигнала в пределах от 20 Гц до 2 МГц, регистрируя значение Uвых. Результат измерений представить в форме графика, пронормированного относительно максимального коэффициента передачи; е) вновь установить частоту входного сигнала f = 1 кГц. По осциллограмме выходного сигнала определить быстродействие ключа при двух уровнях Uупр (10 и 2 В); ж) изменяя амплитуду Uупр, определить чувствительность ключа; з) определить входное сопротивление ключа по сигнальному и управляющему входам. Для этого подключить магазин сопротивлений между генератором гармонического сигнала и сигнальным входом ключа. Подключить к гнездам 1 и 2 макета вольтметр и, постепенно увеличивая значение сопротивления от исходного нулевого значения, добиться уменьшения регистрируемого вольтметром напряжения в 2 раза; и) определить входное сопротивление ключа по управляющему входу. Для этого подключить магазин сопротивлений между генератором импульсов и управляющим входом ключа. Подключить к гнездам 3 и 4 макета осциллограф и, постепенно увеличивая значение сопротивления от исходного нулевого значения, добиться уменьшения амплитуды импульсов на экране осциллографа в 2 раза (при неизменном масштабе изображения по оси Y). 2. Исследовать ключ на биполярном транзисторе: а) включить схему, изображенную на рис. 9.4; б) произвести измерения в соответствии с п. 1, б–и. 3. Исследовать ключ на полевом транзисторе: а) включить схему, изображенную на рис. 9.5; 51 б) произвести измерения в соответствии с п. 1, б–и. 4. Исследовать ключ на оптронах: а) включить схему, изображенную на рис. 9.6; б) произвести измерения в соответствии с п. 1, б–и (примечание: для схемы, представленной на рис. 9.6, установить на входах 1–2 гармонический сигнал напряжением Uвх = 1 В). Содержание отчета: 1. Схемы соединения приборов и исследуемых ключей. 2. Результаты экспериментальных исследований и расчетов по пп. 1–4 в виде таблиц и графиков. 3. Выводы. Лабораторная работа № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ Целью работы является изучение наиболее распространенных генераторов прямоугольных видеоимпульсов – мультивибраторов – в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режимах деления частоты и синхронизации. В современной электронике находят применение мультивибраторы на транзисторах, динисторах, логических элементах. В данной работе в качестве элементной базы для построения схем мультивибраторов выбраны ОУ. Основные сведения. Видеоимпульсы прямоугольной формы характеризуются двумя уровнями сигнала: однополярные импульсы имеют высокий и низкий (почти нулевой) уровни, двухполярные – равные по модулю положительный и отрицательный уровни. Для формирования однополярных импульсов обычно применяют транзисторные генераторы, для создания двухполярных – схемы на операционных усилителях (выбор элементной базы обусловлен тем, что транзистор обеспечивается однополярным питанием, а ОУ – симметричным двухполярным). Переход с одного уровня на другой осуществляется очень быстро. Мультивибраторы работают в четырех режимах: – автоколебательном, т. е. в режиме генерации непрерывной импульсной последовательности без подачи на схему какого-либо сигнала; параметры сигнала определяются исключительно значениями элементов схемы мультивибратора; – ждущем, при реализации которого мультивибратор вырабатывает 52 одиночный импульс при подаче на вход короткого импульса запуска (ждущий мультивибратор называют поэтому также одновибратором); – синхронизации, который является промежуточным между автоколебательным и ждущим, так как на вход схемы поступают короткие импульсы, хотя сам мультивибратор является автоколебательным; при подаче входных импульсов происходит синхронизация (подстройка) временных параметров импульсов, вырабатываемых мультивибратором при подаче входного сигнала (схема реагирует при этом на каждый входной импульс); – деления частоты, аналогичном режиму синхронизации (мультивибраторы в режимах деления частоты и синхронизации не различаются даже схемами), но в котором мультивибратор реагирует не на каждый входной импульс. Прямоугольные видеоимпульсы (идеальной формы) характеризуются следующими параметрами: – положительным уровнем сигнала +Е (точнее, ≈ +Е); – отрицательным уровнем сигнала −Е (точнее, ≈ −Е) (+Е и −Е – напряжения источников питания ОУ, входящего в схему мультивибратора); – длительностью положительного импульса τ+; – длительностью отрицательного импульса τ−; – периодом Т = τ+ + τ −; – скважностями Q+ = Т/ τ+ и Q− = Т/ τ−. Амплитуду и период импульсов запуска для ждущего мультивибратора обозначают, соответственно, как Uзап и Тзап, а амплитуду и период входных импульсов в режимах синхронизации и деления частоты – как Uвх и Твх. Схема автоколебательного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 10.1. Операционный усилитель вместе с резистивным делителем на сопротивлениях R2 и R3 образует регенеративный компаратор, переключение которого происходит в моменты равенства потенциалов на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ (+ и − соответственно). Значение + жестко связано с уровнем выходного сигнала, составляющим поочередно +Е или −Е, и с коэффициентом деления делителя и равно 53 +ЕR3/(R2 + R3) либо −ЕR3/(R2 + R3). Значение − плавно меняется из-за заряда (точнее, перезаряда) емкости С через сопротивление R1, потенциометр R4/R5 и один из диодов VD: при этом процесс заряда начинается в момент переключения компаратора от уровня −ЕR3/(R2 + R3) и стремится завершиться достижением уровня выходного сигнала +Е (или наоборот – от уровня +ЕR3/(R2 + R3) до уровня −Е; кривые заряда различны при различной полярности выходного сигнала и включают либо R1, R4 и диод VD1, либо R1, R5 и VD2). Однако завершиться процесс заряда не может, так как при достижении напряжением на емкости, т. е. и потенциалом − уровня + компаратор вновь переключается и сигнал на выходе мультивибратора вновь меняет полярность. Длительность импульсов мультивибратора τ+ = С(R1 + R4) ln(1 + 2 R2/ R3); τ− = С(R1 + R5) ln(1 + 2 R2/ R3). Таким образом, период импульсов зависит только от значений С, R1, R2 и R3, а скважности определяются соотношениями Q+ = (2 R1 + R4 + R5)/(R1 + R4), Q− = (2 R1 + R4 + R5)/(R1 + R5). Амплитуда импульсов на выходе мультивибратора примерно равна 2Е. Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) приведена на рис. 10.2. От автоколебательного мультивибратора она отличается в первую очередь наличием диода VD1, параллельного емкости С1 зарядной цепи. При одной из полярностей выходного сигнала диод открыт, емкость разряжена, − = 0 (при включении диода в соответствии со схемой такое состояние наблюдается при −Е). Так как при этом + = − ЕR3/(R2 + R3), то регенеративный компаратор и весь мульти54 вибратор находятся в устойчивом состоянии. Вывести схему из устойчивого состояния можно лишь подачей импульса положительной полярности с амплитудой Uзап > ЕR3/(R2 + R3). Тогда на короткое время полярность потенциала + поменяется на противоположную, а этого достаточно для изменения полярности выходного сигнала мультивибратора. При этом диод VD1 закрывается и начинается заряд емкости С1 через сопротивление R1 и увеличение −. По достижении − = + = =+ЕR3/(R2 + R3) компаратор переключается, на этот раз без подачи внешнего сигнала, самопроизвольно. Схема возвращается в исходное состояние по выходу. Завершается процесс восстановления быстрым разрядом емкости С1 через вновь открывшийся диод VD1. Цепь запуска состоит из дифференцирующей цепи С2–R4, служащей для укорочения входного воздействия, и диода VD2, исключающего поступление на вход ОУ обратного выброса сигнала, образующегося после дифференцирования. Подача следующего запускающего импульса допустима лишь после восстановления исходного состояния ждущего мультивибратора. Длительность импульса на выходе ждущего мультивибратора τ+ = СR1ln(1 + R2/R3). Отсутствие «двойки» в скобке перед отношением сопротивлений, образующих резистивный делитель, вызвано тем, что, в отличие от автоколебательного мультивибратора, заряд емкости в ждущей схеме начинается с нуля. На рис. 10.3 приведена схема мультивибратора, работающего в режимах синхронизации и деления частоты. В своей основе – это автоколебательный мультивибратор, аналогичный изображенному на рис. 10.1, к которому добавлена входная цепь, аналогичная цепи запуска ждущего мультивибратора. В основу работы схемы положен эффект срабатывания регенеративного компаратора при равенстве потенциалов на входах ОУ. При отсутствии входных сигналов + постоянен в течение всего интервала времени, когда неизменна полярность выходного сигнала. Если же на вход мультивибратора поступают короткие 55 импульсы, то они складываются с напряжением, задаваемым делителем на сопротивлениях, и + на короткое время возрастает, приближаясь к плавно меняющемуся уровню −. В результате равенство потенциалов может наступить раньше, произойдет преждевременное переключение компаратора и длительность импульса на выходе мультивибратора уменьшится, причем станет равной или кратной периоду входных импульсов. Отношение Кд = Т/Твх называется коэффициентом деления; в режиме синхронизации Кд = 1. Значение коэффициента деления зависит как от Uвх и Твх, так и от ЕR3/(R2 + R3). Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов и осциллограф. Порядок выполнения работы: 1. Исследовать автоколебательный мультивибратор: а) собрать схему, изображенную на рис. 10.1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет; б) с помощью осциллографа зарисовать (или сфотографировать) форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ; в) измерить значения τ+, τ− и Т сигнала на выходе мультивибратора при двух разных значениях R1; при двух разных значениях С; при разных соотношениях R4 и R5 (значения R1 и отношения R4/R5 следует изменять, вращая движки потенциометров, выведенных на лицевую панель макета; для изменения значения емкости необходимо параллельно к основному конденсатору подключить дополнительный); г) рассчитать значения Q+ и Q− для всех результатов измерений. 2. Исследовать ждущий мультивибратор: а) собрать схему, изображенную на рис. 10.2. Для подачи импульсов запуска соединить выход генератора импульсов со входом цепи запуска на макете. Установить такую частоту импульсов запуска, чтобы Тзап в 5–10 раз превосходил максимальное значение Т, измеренное в п. 1, в; б) изменяя амплитуду импульсов запуска, зафиксировать напряжение, при котором ждущий мультивибратор начинает работать; в) измерить и сопоставить параметры импульсов запуска и импульсов на выходе мультивибратора; г) меняя напряжение одного из источников питания от 15 до 9 В при 56 неизменном напряжении другого источника, зарегистрировать изменение длительности и амплитуды импульса на выходе мультивибратора. 3. Исследовать мультивибратор в режимах синхронизации и деления частоты: а) собрать схему, изображенную на рис. 10.3. На вход макета подать от генератора прямоугольных импульсов меандр с периодом в 5 раз меньшим, нежели минимальное значение τ+ или τ−, измеренное в п. 1,в; б) зарисовать (или сфотографировать) форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ; в) изменяя амплитуду входных импульсов, измерить зависимость коэффициента деления от Uвх. Содержание отчета: 1. Схемы исследуемых мультивибраторов. 2. Результаты экспериментальных исследований и расчетов пп. 1–3 в виде таблиц, графиков и зарисовок (фотографий). 3. Выводы. Лабораторная работа № 11 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИНЕЙНО И СТУПЕНЧАТО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ Целью работы является ознакомление с генераторами линейно и ступенчато изменяющихся напряжений и исследование влияния параметров генераторов на значение и форму выходного напряжения. Основные сведения. Линейно изменяющимся (иначе – пилообразным) напряжением называют напряжение, которое в течение рабочего цикла изменяется линейно от некоторого начального уровня и быстро возвращается в исходное состояние. Напряжение такой формы широко используется в технике в качестве напряжения развертки в осциллографах, телевизорах и телекамерах, а также для формирования радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией. Устройства, формирующие напряжение такой формы, называют генераторами линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Для получения линейно изменяющегося напряжения на вход ГЛИН требуется подавать прямоугольные импульсы. Линейно изменяющееся напряжение характеризуется следующими параметрами (рис. 11.1): 57 – длительностью прямого хода (Тп.х); – длительностью обратного хода (То.х); – амплитудой выходного напряжения (Umax); – начальным уровнем U0 (часто принимают U0 = 0); – средней скоростью прямого хода vср = Umax/ Тп.х; – коэффициентом нелинейности ξ, характеризующим изменение скорости прямого хода в начале и в конце прямого хода: ξ = (vн – vк)/ vн, где vн и vк – скорости, соответственно, в начале и в конце прямого хода. Наиболее простым является ГЛИН, выполненный по схеме, приведенной на рис. 11.2. Транзистор VТ работает в ключевом режиме. При отрицательной полярности подаваемого на вход прямоугольного импульса транзистор закрыт и емкость С2 медленно заряжается через высокоомное коллекторное сопротивление R2. Когда полярность входного импульса на короткое время изменяется на положительную, емкость быстро разряжается через открывающийся транзистор. Емкость С1 выполняет функцию разделительного конденсатора, а сопротивление R1 задает постоянное смещение на базу транзистора. Следует отметить, что заряд конденсатора описывается экспоненциальным законом и лишь на начальном этапе может быть аппроксимирован линейной функцией. Поэтому при требуемом качестве линейно изменяющегося напряжения Umax имеет существенно меньшее значение, чем напряжение источника питания транзистора Е. Это является большим недостатком 58 схемы. Значение коэффициента нелинейности для схемы ГЛИН (рис. 11.2) можно определить по формуле ξ ≈ Тп.х/ (С2R2). Бόльшую амплитуду линейно изменяющегося напряжения при относительно хорошем качестве «пилы» обеспечивает схема ГЛИН, изображенная на рис. 11.3. В этой схеме применена стабилизация тока заряда конденсатора С3 (или С3+С4). Напряжение на конденсаторе пропорционально интегралу от тока, подтекающего к его обкладкам, и, если ток постоянен, то напряжение меняется по линейному закону. Функцию стабилизатора тока выполняет транзистор VТ2, включенный последовательно с С3. Транзистор VТ1 работает в ключевом режиме. Напряжение на выходе ГЛИН примерно равно напряжению на емкости С3 (или С3+С4). Благодаря стабилизации тока заряда оно меняется практически линейно и Umax достигает значений, близких к напряжению источника питания Е. Сопротивление R3 (или R4) вместе с С3 и С4 определяет длительность прямого хода «пилы», С1и С2 являются разделительными конденсаторами. 59 ГЛИН может быть построен и на операционном усилителе (рис. 11.4). В этой схеме конденсатор С1 заряжается постоянным током, а разряжается через ключ на полевом транзисторе. Скорость заряда конденсатора можно изменять, меняя уровень подаваемого на вход ГЛИН напряжения. Ступенчато изменяющееся напряжение формируют с помощью генераторов ступенчато изменяющегося напряжения (ГСИН), на вход которых подают последовательности знакопеременных прямоугольных импульсов. В качестве входных импульсов обычно используют меандры. Схема одного из вариантов ГСИН на операционном усилителе приведена на рис. 11.5. При поступлении входного импульса положительной полярности открыт диод VD1 и емкость С1 заряжается до напряжения, примерно равного амплитуде входного сигнала. Диод VD2 при этом закрыт и емкость C2 не заряжается. При поступлении на вход импульса отрицательной полярности амплитуда входного сигнала суммируется с напряжением на емкости C1, поэтому на входе ОУ оказывается удвоенное напряжение; одновременно открывается диод VD2. Начинается заряд емкости C2 до напряжения, равного напряжению на входе ОУ. Затем на вход вновь поступает положительный импульс, еще больше заряжающий емкость С1. По приходу отрицательного импульса возросшее напряжение на C1 переносится на C2. В результате напряжение на C2, а значит, и на выходе схемы растет ступенчато. Обнуление выходного сигнала производится открыванием ключа на полевом транзисторе VT. Ступенчатое напряжение можно получить также с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП), соединенного с выходом двоичного счетчика. Этот метод постепенно вытесняет аналоговые ГСИН на операционных усилителях. 60 Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят: макет, два генератора прямоугольных импульсов, осциллограф, магазин сопротивлений. Порядок выполнения работы: 1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет. 2. Исследовать ГЛИН: а) собрать схему, изображенную на рис. 11.2. Подать на вход схемы прямоугольные импульсы длительностью τ = 2…2,5 мс и амплитудой 3 В; б) с помощью осциллографа измерить параметры ГЛИН (Тп.х; То.х; Umax; U0; ξ). Для вычисления ξ измерить v на участках пилообразного напряжения (0…0,1)Тп.х и (0,9…1)Тп.х. Измерения провести для двух значений R2; в) исследовать зависимость влияния напряжения источника питания на параметры ГЛИН. Для этого изменять напряжение одного из источников от 15 до 9 В (через 1 В), измеряя параметры Umax и ξ; г) исследовать влияние постоянной времени зарядной цепи на значения Umax и ξ. Измерения провести для трех случаев: τ ≤ 0,1R2С2; τ = 0,1R2С2; τ ≥ 0,1R2С2. Зарисовать осциллограммы полученных напряжений; д) исследовать влияние сопротивления нагрузки на параметры ГЛИН. Для этого подключить к выходу макета нагрузку. Измерения Umax , Тп.х и ξ провести для сопротивлений нагрузки R1 и R2; е) исследовать схему, изображенную на рис. 11.3, в соответствии с п. 2, а–д при различных значениях сопротивления Rк (R3, R4) и зарядной емкости (С3 или С3 + С4); ж) для схемы, изображенной на рис. 11.4, снять зависимость Тп.х от напряжения на входе схемы Uвх, для этого, изменяя Uвх в пределах от 0,1 до 3 В, измерить Тп.х. 3. Исследовать ГСИН: а) собрать схему, изображенную на рис. 11.5; б) исследовать зависимость уровня ступеней ΔUвых в выходном 61 напряжении ГСИН от амплитуды Uвх входных импульсов. Изменяя Uвх в пределах от 0,1 до 2 В, снять зависимость ΔUвых от Uвх. Измерения провести для двух значений С2; в) исследовать влияние длительности входных прямоугольных импульсов (τвх) на форму выходного напряжения. Изменяя τвх в пределах от 0,1 до 10 мс, зарисовать осциллограммы выходного напряжения. Длительность импульсов управляющего напряжения, подаваемого на ключ на полевом транзисторе, устанавливать равной 20 τвх; г) исследовать влияние сопротивления нагрузки на уровень ступеней. Для этого подключить к выходу макета магазин сопротивлений. Измерения провести для сопротивлений 100, 10 и 1 кОм. Содержание отчета: 1. Схемы исследуемых генераторов. 2. Результаты измерений в форме таблиц и графиков. 3. Выводы. Лабораторная работа № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ КЛАССА D Целью работы является исследование функциональной схемы, принципа действия и характеристик усилителя класса D. Основные сведения. Существуют различные способы построения усилителей сигналов; самым простым является усилитель, при прохождении через который сигнал не претерпевает изменений по форме и лишь увеличивается по амплитуде и, возможно, меняет свою фазу. Такой усилитель называют усилителем класса А. В усилителях класса В отдельно усиливаются положительные и отрицательные полуволны сигнала, после чего происходит их сложение. Усилитель класса С усиливает только отсеченные от гармонического сигнала верхнюю и нижнюю части в пределах нескольких десятков градусов, в результате чего после суммирования требуется восстановить исходную форму сигнала, что и осуществляется с помощью колебательного контура, настроенного на частоту сигнала. В усилителе класса D в процессе усиления сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных видеоимпульсов, увеличиваются их амплитуда и мощность и затем исходная фор62 ма сигнала восстанавливается с помощью фильтра низкой частоты. Применение более сложных усилителей оправдано свойственным для них высоким КПД: так, усилитель класса D имеет КПД порядка 90–95 %. Усилитель класса D может усиливать как постоянные, так и переменные сигналы. В состав усилителя входят мультивибратор, вырабатывающий двухполярный меандр; интегратор на операционном усилителе, преобразующий прямоугольные импульсы в равнобедренные треугольные; двухвходовый компаратор, обеспечивающий сравнение входного сигнала и треугольных импульсов; двухтактный усилитель для усиления импульсов, образующихся на выходе компаратора, и фильтр низкой частоты, восстанавливающий исходную форму сигнала. Функциональная схема усилителя приведена на рис. 12.1. Сигнал на выходе компаратора называют сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигналом), так как длительность («ширина») импульсов зависит от мгновенного значения усиливаемого сигнала. Если мгновенное значение усиливаемого сигнала слишком велико или слишком мало и превосходит амплитуду треугольных импульсов, поступающих с выхода интегратора, то на выходе компаратора импульсы исчезают и ШИМ-сигнал превращается в постоянное напряжение. Выбор периода треугольных импульсов Т определяется максимальной частотой усиливаемого сигнала fmax: для качественного воспроизведения сигнала необходимо обеспечить соблюдение условия Т < 0,1/ fmax. ШИМ-сигнал имеет богатый гармониками спектр, включающий низкочастотные гармоники, определяемые усиливаемым сигналом, более высокочастотные гармоники спектра треугольных импульсов, комбинационные составляющие. Восстановление исходного сигнала после его трансформации в 63 процессе усиления заключается в устранении из спектра лишних гармоник с помощью низкочастотного фильтра. Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят макет, регулируемый источник постоянного напряжения, низкочастотный генератор гармонического сигнала, осциллограф, вольтметр для измерения постоянного напряжения, вольтметр для измерения переменных сигналов. На лабораторном стенде имеются миллиамперметры для измерения токов, потребляемых от источников питания макета при различных значениях усиливаемого сигнала. Порядок выполнения работы: 1. Исследовать режим усиления постоянных сигналов: а) подключить ко входу усилителя регулируемый источник постоянного напряжения, к выходу – вольтметр для измерения постоянного напряжения и осциллограф. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет; б) установить на выходе регулируемого источника питания напряжение 0 В. Подключая осциллограф поочередно к контрольным гнездам на выходе мультивибратора, интегратора и компаратора, зарисовать с соблюдением масштаба осциллограммы напряжений в указанных точках; в) подключить осциллограф к контрольному гнезду на выходе компаратора. Изменяя напряжение регулируемого источника постоянного напряжения от нуля в сторону сначала положительных, а затем в сторону отрицательных значений (через 0,3 В), регистрировать с помощью осциллографа длительности положительного и отрицательного импульсов (соответственно, τ+ и τ–), посредством миллиамперметров, расположенных на лабораторном стенде, – токи I1 и I2, потребляемые от источников питания, а также выходное напряжение (Uвых). Измерения прервать при исчезновении (слиянии) положительных, а также отрицательных импульсов. Результаты измерений свести в единую таблицу и представить в виде трех графиков: зависимость τ+ и τ – от Uвх; зависимость I1 и I2 от Uвх; зависимость Uвых от Uвх. 2. Исследовать режим усиления переменных сигналов: а) подключить ко входу макета низкочастотный генератор гармонического сигнала, к выходу – осциллограф и вольтметр для измерения переменных сигналов; б) измерить амплитудную характеристику усилителя при частоте сигнала 200 Гц (напряжение входного сигнала – от 10 мВ до 4 В); 64 в) измерить амплитудно-частотную характеристику усилителя в полосе частот от 20 Гц до 5 кГц (при напряжении входного сигнала 100 мВ). Измерение произвести при отключенной и подключенной дополнительной емкости в фильтре. Содержание отчета: 1. Функциональная схема исследуемого усилителя. 2. Результаты экспериментальных исследований по пп. 1 и 2 в форме таблиц, графиков и рисунков. 3. Выводы. 65 Список литературы Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1982. Бескид П. П., Погодин А. А., Филимонов Ю. Л. Электроника: учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1998. Погодин А. А., Филимонов Ю. Л., Шишкин А. Д. Синтез электронных схем в устройствах электрорадиоавтоматики: учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1994. Погодин А. А. Электроника: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. М.: Радио и связь, 1984. 66 Cодержание Методика измерения основных характеристик электронных цепей……… Лабораторная работа № 1. Исследование дифференцирующих и интегрирующих цепей…………………………………………………. Лабораторная работа № 2. Исследование схем включения транзисторов... Лабораторная работа № 3. Исследование усилителя низкой частоты…….. Лабораторная работа № 4. Исследование импульсного широкополосного усилителя……………………………………………………………….. Лабораторная работа № 5. Исследование обратных связей в усилительных схемах………………………………………………….. Лабораторная работа № 6. Исследование операционного усилителя……... Лабораторная работа № 7. Исследование схем коррекции операционного усилителя……………………………………………………………….. Лабораторная работа № 8. Исследование RC-генераторов………………… Лабораторная работа № 9. Исследование электронных ключей…………... Лабораторная работа № 10. Исследование мультивибраторов. ………….. Лабораторная работа № 11. Исследование генераторов линейно и ступенчато изменяющихся напряжений…………………………… Лабораторная работа № 12. Исследование усилителя класса D…………… Список литературы…………………………………………………………… 67 3 6 11 16 22 26 31 37 42 46 51 56 61 64 Редактор И. Г. Скачек Подписано в печать Печать офсетная. Формат 60 х 84 1/16. Гарнитура «Times». Тираж 75 экз. Заказ Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 68 Бумага офсетная. Печ. л. 4,25.
