Задачи по схемотехнике. Методические указания для лабораторного практикума Новосибирск 2014 удк 681.(076)

• Название: Методические указания для лабораторного практикума Новосибирск 2014 удк 681.(076)
• Анкор: Задачи по схемотехнике
• Дата: 30.03.2023
• Размер: 6.82 Mb.
• Имя файла: Ð¡Ñ ÐµÐ¼Ð¾Ñ‚ÐµÑ Ð½Ð¸ÐºÐ°.doc
• Тип: Методические указания; #1025371
• страница: 8 из 14

9 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

«Исследование транзисторного усилителя мощности с

бестрансформаторным двухтактным выходом»
9.1. Цель работы

Исследовать зависимость основных параметров (выходной, потреб­ляемой и рассеиваемой на коллекторе мощностей, коэффициент полезного действия) усилителя с бестрансформаторным выходным каскадом на составных квазикомп­лементарных транзисторах, работающих в режиме «В», от напряжения сигнала и сопротивления нагрузки с применением лабораторного макета и измерительного оборудования.
9.2. Подготовка к работе

9.2.1. Изучить следующие вопросы курса:

- особенности и свойства режима «В»;

- бестрансформаторная двухтактная схема выходного каскада в ре­жиме «В»; особенности построения и назначение элементов схемы;

- температурная стабилизация каскадов, работающих в режиме «В»;

- влияние напряжения возбуждения и сопротивления нагрузки на энергетические показатели выходного каскада.

9.2.2. Изучить принципиальную схему исследуемого усилителя (рисунок 6.1), подготовиться к работе в лаборатории и составить рабочий листок для занесения в него результатов измерений.

9.2.3. Произвести графоаналитический расчет режима «В» работы выходных транзисторов. Определить выходную мощность Р_н, мощ­ность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов 2Р_к, мощность, потребляемую от источника питания Р₀, коэффициент полезного действия выходной цепи _вых.ц (см. приложение 9).

Исходные данные для расчета:

Напряжение источника питания Е_п = 15 В; выходные транзисторы VT6, VT7 типа П214. Сопротивление нагрузки выбрать в соответст­вии с таблицей 9.1. Выходные характеристики транзистора П214 приведены в приложении (рисунок П.10.1).

Литература:

1. Травин Г.А. Схемотехника устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Уч. пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

2. Конспект лекций.

3. Приложение 9 методических указаний.
Таблица 9.1

№ бригады	1	2	3	4	5	6
Сопротивление Нагрузки (Ом)	1,5	3	6	12	3	6

9.3. Описание схемы исследуемого усилителя

Исследуемый усилитель (рисунок 9.1) состоит из четырех каскадов. Входной каскад выполнен по схеме с ОЭ на транзисторе VT1. Напря­жение смещения на базу транзистора VT1 подается с помощью дели­теля напряжения, образованного из резисторов R1 и R2.

Резистор R4 является элементом местной и общей обратной связи (ОС), а так­же эмиттерной стабилизацией тока покоя транзистора VT1. Усилен­ный сигнал через разделительный конденсатор СЗ подается на вто­рой каскад, выполненный по схеме с ОК на транзисторе VT2. Резис­торы R6 и R7 образуют делитель для подачи напряжения смещения на базу VT2. Резистор R8 является эмиттерной нагрузкой и одновре­менно обеспечивает стабилизацию точки покоя.

В цепи питания первых двух каскадов находится фильтр, образо­ванный из резистора R5 и конденсатора С2 и предназначенный для сглаживания пульсаций напряжения, полученного от выпрямителя и для устранения обратной связи через источник питания.

Третий каскад, выполненный по схеме с ОЭ на транзисторе VT3, является предвыходным и предназначен для возбуждения транзисто­ров выходного каскада. Напряжение смещения транзистора VT3 по­лучается с помощью делителя напряжения R9 и R10. Резистор R15 является элементом эмиттерной стабилизации тока покоя. Он зашунтирован конденсатором С6 в целях устранения местной ООС по переменному току.

Выходной каскад выполнен на транзисторах VT4, VT6 и VТ5, VT7. Транзисторы VT4, VТ6 образуют составной транзистор, вклю­ченный по схеме ОК, структуры p-n-p. Транзисторы VT5, VT7, вклю­ченные по схеме ОЭ - ОЭ, образуют составной транзистор структуры n-p-n. В нижнем плече имеется 100% – ная последовательная ООС по нап­ряжению, придающая ему свойства близкие к свойствам верхнего пле­ча (эмиттерного повторителя).

Выходной каскад работает в режиме «В» при сравнительно небольшом напряжении смещения, которое образуется на диодах VD1, VD2 за счет прохождения через них постоянного коллекторного тока тран­зистора VT3.

Коэффициент усиления по напряжению выходного каскада меньше единицы, поэтому напряжение, снимаемое с коллектора VT3, превышает выходное напряжение усилителя

U_m.вых.VT3 = U_{m.бэ VT4-VT6} + U_m.н,

где U_m.н – амплитуда напряжения сигнала на нагрузке.




Рисунок 9.1. Принципиальная схема усилителя

Для того чтобы обеспечить более полное использование выход­ных транзисторов при менее мощном транзисторе в предвыходном кас­каде, необходимо уменьшить переменный ток, потребляемый резисто­ром, включенным в коллекторную цепь VT3.

Для этого верхний вывод резистора R14 по переменному току, с помощью конденсатора С5 присоединен к эмиттеру составного тран­зистора VT4 - VТ6 (резистор R18 можно не учитывать, так как его значение весьма мало), В этом случае резистор R14 по переменно­му току оказывается подключенным параллельно промежутку база - эмиттер составного транзистора. Амплитуда напряжения сигнала на этом промежутке U_{m.бэ VT4-VT6} значительно меньше амплитуды напря­жения на промежутке база – коллектор

U_{m.бк VT4 - VT6} = U_{m.бэ VT4 - VT6} + U_m.н

Следовательно, ток сигнала через сопротивление R14,

I_mR14 =

при наличии C5 будет значительно меньше, чем в схеме, где этот кон­денсатор отсутствует. Резистор RI3 устраняет шунтирование выход­ной цепи усилителя конденсатором C5.

Следует обратить внимание, что для поддержания требуемого режима работы транзисторов выходного каскада требуются две сис­темы стабилизации. Первая из них, обеспечивающая постоянство тока покоя при колебании температуры, осуществляется с помощью диодов VD1 и VD2. Вторая система стабилизации должна поддержи­вать постоянство коллекторных напряжений на транзисторах VT4 - VT6 и VT5 – VT7, каждое из которых должно составлять полови­ну напряжения источника питания E₀/2. Постоянство коллекторных напряжений достигается с помощью гальванической ООС, парал­лельной по напряжению, которая обеспечивается за счет резисто­ров R9 и R10.

Кроме ООС через R9, R10, охватывающей последние два каскада, в исследуемом усилителе предусмотрена общая ООС, последователь­ная по напряжению, охватывающая все каскады, включаемая с помо­щью переключателя S1; к элементам цепи этой ООС относятся R11, R12, R4. Прибор, включенный в эмиттерную цепь VT7, служит для измерения среднего значения коллекторного тока выходного кас­када.
9.4. Задание к работе в лаборатории

9.4.1. Снять зависимость выходной (Р_н), потребляемой (P₀), рас­сеиваемой на двух коллекторах (2Р_к) мощностей и КПД (_вых.ц) выходных транзисторов от уровня входного сигнала при постоян­ном сопротивлении нагрузки. Значение сопротивления нагрузки выбрать согласно таблице 9.1.

9.4.2. Снять зависимость выходной (Р_н), потребляемой (P₀), рас­сеиваемой на двух коллекторах (2Р_к) мощностей и КПД (ŋ_вых.ц ) от изменения сопротивления нагрузки.

9.4.3. Найти оптимальное сопротивление R_{н опт}, при котором вы­ходная мощность максимальна.

9.4.4. Снять осциллограммы выходного напряжения для случаев, ког­да выходной каскад работает при U_бэ0 ≠ 0 и U_бэ0 = 0.
9.5. Порядок выполнения работы

9.5.1. Присоединить источник сигнала и измерительные приборы к исследуемому усилителю: выход генератора соединить с гнездом «Вход 2» на контрольной панели, а вольтметр - с гнездом «Вход 1» на панели управления. Осциллограф и другой вольтметр соединить с гнездом «Выход». Установить на генераторе частоту 1000 Гц.

9.5.2. Установить при помощи переключателя S3 нужное значение сопротивления нагрузки.

9.5.3. Установить переключатель S2 в положении «выключено», ООС за счет це­почки R12, R4 включена при помощи переключателя S1.

9.5.4. Включить питание макета и проверить по контрольной панели заданное напряжение источника питания 15 В.

9.5.5. Включить измерительную аппаратуру.

Внимание: Перед включением генератора убедиться, что регулировка выходного напряжения находится в крайнем левом положе­нии.

9.5.6. Определить номинальное входное напряжение U_вх.ном и соот­ветствующее ему напряжение на нагрузке U_{вых.ном}.

9.5.7. Изменяя входное напряжение от 0,1U_вх.ном до U_вх.ном сделать 8 – 10 измерений U_вх и U_вых. Результаты занести в таблицу.

По экспериментальным данным выполняются расчеты зависимостей Р_н, Р₀, 2Р_к, _вых.ц от входного сигнала. Расчетные формулы приведе­ны в приложении 10.

9.5.8. Исследовать зависимости мощностей Р_н, P₀, 2Р_к и _вых.ц от сопротивления нагрузки. Для этого снять зависимость U_вых от R_н. Значения сопротивлений нагрузки установить с помощью переключа­теля S3. Величину U_вх каждый раз устанавливать по началу иска­жений формы выходного напряжения на экране осциллографа. Данные занести в таблицу. Выполнить расчеты зависимостей Р_н, P₀, 2Р_к и _вых.ц от сопротивления нагрузки.

9.5.9. Установить значение сопротивления нагрузки равным 3 0м, входное напряжение в пределах 10 – 20 мВ.

Зарисовать форму выходного напряжения при включенном и вык­люченном S2.
9.6. Содержание отчета

9.6.1. Принципиальная схема исследуемого усилителя с указанием обозначений и номинальных величин элементов.

9.6.2. Результаты предварительного расчета.

9.6.3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных и графические зависимости Р_н, P₀, 2Р_к, ŋ_вых.ц от U_вх и R_н.

9.6.4. Осциллограммы выходного напряжения усилителя при U_бэ0 ≠ 0 и U_бэ0=0.

9.6.5. Анализ результатов (объяснение зависимостей Р_н, P₀, 2Р_к, _вых.ц от U_вх и R_н, объяснение искажений формы выходного напряжения при отсутствия смещения на транзисторах VT4, VT5).
9.7. Контрольные вопросы

9.7.1. Объяснить назначение элементов принципиальной схемы иссле­дуемого усилителя.

9.7.2. Показать цепи температурной стабилизации и пояснить прин­цип их работы.

9.7.3. Нарисовать схему предвыходного и выходного каскадов на комплементарных транзисторах бес­трансформаторного усилителя звуковой частоты с одним источником питания. Пояснить назначение выходной разделительной емкости.

9.7.4. Перечислить основные свойства двухтактного усилительного каскада трансформаторного и бестрансформаторного,

9.7.5. Объяснить, в чем заключается сущность режимов «А», «В», «АВ». Начертить диаграммы работы транзистора в режимах «А» и «В» с испо­льзованием семейства выходных характеристик.

9.7.6. Изобразить и объяснить зависимости Р_н, P₀, 2Р_к, _вых.ц от напряжения входного сигнала для режимов «А» и «В».

9.7.7. Пользуясь выходными характеристиками, для известного R_н определить Р_н, P₀, 2Р_к и _вых.ц.

9.7.8. Начертить и объяснить зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки.


10 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

«Исследование резисторного каскада широкополосного усилителя на полевом транзисторе»

10.1 Цель работы

Исследовать влияние элементов схемы каскада широкополосного усиления на полевом транзисторе с общим истоком на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики) с применением программы компьютерного моделирования Electronics workbench.
10.2 Подготовка к работе

10.2.1. Изучить следующие вопросы курса:

• 
  цепи питания полевого транзистора;
  
• 
  назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада на полевом транзисторе;
  
• 
  принцип действия простой параллельной высокочастотной коррекции индуктивностью;
  
• 
  площадь усиления: определение и методика измерения по АЧХ;
  
• 
  принцип действия низкочастотной коррекции;
  
• 
  переходные характеристики и искажения в широкополосном усилителе;
  
• 
  влияние цепей коррекции на переходные характеристики в области малых и больших времен.
  

10.2.2. Изучить принципиальную схему каскада.

10.2.3. Выполнить предварительный расчет к лабораторной работе: используя данные принципиальной схемы, рассчитать оптимальные значения L1 и С6 для получения максимально плоской формы АЧХ в области граничных частот (fв и fн). Варианты значений выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки С4, указанные в таблице 10.2, выбираются по номеру бригады.
Таблица 10.2 – Варианты значений емкостей

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
С2, нФ	10	20	30	40	10	20	30	40	20	10
С4, пФ	200	300	400	500	400	200	200	300	400	300

Литература

1. 
   Конспект лекций.
   

2. Травин Г.А. Схемотехника устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Уч. пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

10.3 Описание схемы лабораторной установки

Принципиальная схема каскада изображена на рисунке 10.1.

Исследуемый усилитель выполнен на полевом транзисторе 2П303Б с p-n - переходом и каналом n - типа. Резистор R3 служит для создания начального напряжения смещения на за­творе, определяющего положение точки покоя. Подача напряжения смещения на за­твор осуществляется через резистор R2. Поскольку через R2 протекает только ток затвора, не превышающий 10^-10…10^-12 А, то допустимо считать, что ток затвора отсутствует и смещение полностью определяется падением на­пряжения на резисторе R3. Резистор R3 создает также ООС по постоянному току, которая стабилизирует ток покоя при изменениях температуры и тех­нологическом разбросе параметров элементов.

Резистор R3 может являться элементом отрицательной обратной связи по сигналу (по пе­ременному току), за счёт которой уменьшается коэффициент усиления. Для устранения этой ОС в рабочем диапазоне частот параллельно резистору R3 подключается конденсатор большой ёмкости C3.



Рисунок 10.1 – Принципиальная схема исследуемого каскада
На входе и выходе каскада находятся разделительные конденсаторы С1 и С2. К внешней нагрузке R4 подключен конденсатор C4, который имитирует влияние ёмкостной состав­ляющей внешней нагрузки. Резистор R1 представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала.

С помощью переключателей S1 и S2 выбирается ём­кость С5 или С6, которые вместе с резистором R6 используются как эле­менты фильтра в цепи питания. Причем, при подключении малой емкости (С6) фильтрующая цепочка может использоваться для коррекции АЧХ в области нижних частот.

С помощью переключателей S1, S2 и S3 изменяются параметры выходной цепи схемы. Если переключатели S1 и S2 находятся в положении «выключено», а S3 - «включено», то резисторы R5 и R6, соеди­ненные последовательно, образуют элемент связи в стоковой цепи. В этом случае общее сопротивление стоковой цепи по постоянному току возрастает, что приводит к увеличению выходного напряжения.

При замыкании ключа S1 емкость С5 шунтирует сопротивление R6 по переменному току. При этом усиление каскада снижается, но несколько улучшаются частотные свойства усилителя.

Если переключатель S2 находится в положении «включено», а S1 и S3 - «выключено», то в стоковую цепь каскада подключаются корректирующие элементы. При этом индуктивность L1 выполняет функцию коррекции в области верхних частот.

Оптимальное значение емкости С6 определяется выражением

(10.1)

Оптимальное значение индуктивности L1_опт определяется как

L1_опт = 0,414 С4(R5)² (10.2)

В каскадах на полевых транзисторах при больших значениях входного сопротивления входное напряжение практически равно ЭДС источника сигнала. Граничные частоты определяются при частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ. При выполнении условия f_н >> f_в площадь усиления можно определить как

П = К(f_ср)  f_в , (10.3)

При расчете площади усиления по (3.3) коэффициент усиления подставляется в относительных единицах (разах).
10.4 Задание к работе в лаборатории

1. 
   Ознакомиться с методикой проведения измерений с применением программы Electronics Workbench.
   
2. 
   Исследовать амплитудно-частотные характеристики:
   

- схемы без коррекции;

- схемы с НЧ – и ВЧ – коррекцией.

3. 
   По экспериментальным данным определить коэффициент усиления по напряжению на средней частоте, граничные частоты при заданных частотных искажениях и площадь усиления.
   
4. 
   Измерить осциллограммы выходного напряжения и определить время установления импульсов малой длительности для схем:
   

- без коррекции;

- с ВЧ – коррекцией.

5. 
   Измерить осциллограммы выходного напряжения и определить величину неравномерности вершины импульса большой дли­тельности для схем:
   

• 
  без коррекции;
  
• 
  с НЧ – коррекцией.
  

10.5. Порядок выполнения работы

1. 
   Запустить программу Electronics Workbench (по указанию преподавателя). После завершения загрузки управляющей оболочки необходимо открыть схему лабораторной установки, для чего выбрать в меню File команду Open, (либо щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме в линейке меню) а затем из предложенного списка выбрать файл LAB_2.ewb.
   
2. 
   В соответствии с таблицей 10.2 установить требуемые значения выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки (С4).
   
3. 
   Измерить амплитудно-частотные характеристики.
   

Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера (см. указание к лабораторной работе № 4) для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами элементов параллельной коррекции.

По измеренным АЧХ определить значения граничных частот f_н и f_в и определить К(f_ср). Граничные частоты определяются при допустимых частотных искажениях М_н = М_в = 3 дБ. Рассчитать площадь усиления каскада для каждого из указанных ниже вариантов схемы.

Исследовать следующие варианты АЧХ усилительного каскада.

1. Для схемы без коррекции:

• 
  переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты;
  
• 
  переключатели S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут.
  

В последнем случае большая емкость фильтра (С5) фактически шунтирует сопротивление R6 по переменному току, уменьшая общее сопротивление в стоковой цепи транзистора. Убедитесь, что уменьшение активного сопротивления нагрузки уменьшает коэффициент усиления, но расширяет частотный диапазон. Определите, как это скажется на площади усиления.

2. Для схемы с низкочастотной (С6, R6) и высокочастотной (L1) – коррекцией:

• 
  переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты;
  
• 
  при аналогичном положении переключателей и оптимальных значениях емкости С6 и индуктивности L1.
  

10.5.4. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (t_и = 5 мкс).

Измерения производятся с помощью осциллографа (см. указание к лабораторной работе № 4) при подачи прямоугольных импульсов с частотой f_с = 50 кГц и амплитудой U_{m ист} = 20 мВ на вход исследуемого усилителя.

Перед проведением дальнейших измерений необходимо восстановить исходные (номинальные, указанные в таблице 10.2) значения элементов.

Отобразить в отчете форму выходного сигнала и измерить время установления импульса для следующих вариантов:

- без коррекции (переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты);

• 
  без коррекции при включении большой емкости фильтра С5 (переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут);
  
• 
  с коррекцией при номинальных значениях элементов (переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты);
  
• 
  с коррекцией при оптимальном значении индуктивности L1_опт, рассчитанном для заданного варианта;
  

10.5.5. Исследовать переходную характеристику каскада для области больших времен (t_и = 5000 мкс).

Измерения производятся с помощью осциллографа при подачи прямоугольных импульсов с частотой f= 100 Гц и амплитудой U_{m ист} = 20 мВ на вход исследуемого усилителя.

Перед проведением измерений необходимо восстановить исходные (номинальные) значения элементов.

С помощью осциллографа измерить ПХ и определить величину неравномерности вершины импульса для следующих вариантов схемы:

• 
  переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты (без корректирующих элементов);
  
• 
  переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут (включена большая емкость фильтра С5);
  
• 
  переключатель S2 – замкнут, S1 и S3 – разомкнуты (при номинальном значении емкости фильтра С6,);
  
• 
  при аналогичном положении переключателей и оптимальной емкости фильтра С6_опт, рассчитанной для заданного варианта.
  

5. Содержание отчета

10.6.1. Принципиальная схема каскада.

10.6.2. Результаты предварительного расчёта.

10.6.3. Графики амплитудно-частотных характеристик. Гра­ничные частоты и расчет площади усиления для каждого случая. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу.

10.6.4. Осциллограммы выходных импульсов малой длительности, результаты определения времени установления. Результаты измерений свести в таблицу.

10.6.5. Осциллограммы выходных импульсов большой длительности и величины относительной неравномерно­сти вершины импульсов. Результаты измерений свести в таблицу.

10.6.6. Выводы по работе (сравнительные таблицы измеренных параметров: коэффициенты усиления, граничные частоты, площади усиления, t_уст, _общ) для различных вариантов параметров и объяснение механизма работы цепей коррекции.

10.7. Вопросы для самопроверки

10.7.1. Изобразить принципиальную схему резисторного каскада на полевом транзисторе и пояснить назначение элементов схемы. Показать пути прохож­дения постоянных и переменных составляющих токов.

10.7.2. Пояснить работу полевого транзистора в схеме усилительного каскада. Как производится стабилизация режима работы?

10.7.3. Изобразить статические характеристики i_с = f(U_зи) полевого транзистора, указать, каким образом определяется крутизна.

10.7.4. Изобразить эквивалентные схемы выходной цепи каскада для областей нижних, верхних частот. Пояснить причины, вызывающие частотные искажения на низких и высоких частотах.

10.7.5. Пояснить причины, вызывающие переходные искажения в области больших и малых времен. Объяснить форму выходных импульсов для схемы без коррекции.

10.7.6. Объяснить влияние корректирующих элементов на АЧХ в области низких частот.

10.7.7. Объяснить влияние корректирующих элементов на переходную характеристику в области больших времен.

10.7.8. Объяснить влияние корректирующей индуктивности L₁ на АЧХ (ПХ) в области верхних частот (малых времен).

10.7.9. Объяснить, как влияет изменение номиналов элементов схемы на АЧХ и ПХ (R_c, C_{р вых,}, С_н).

10.7.10. Что такое площадь усиления? Как она определяется по амплитудно-частотной характеристике?

10.7.11. Пояснить назначение и виды коррекции в каскадах широкополосного и импульсного усиления.

10.7.12. Объяснить отличия в форме АЧХ при емкости С5 и С6.

11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

«Исследование интегратора и дифференциатора на основе

операционного усилителя»
11.1 Цель работы

Исследовать свойства и характеристики схем интегратора и дифференциатора на основе операционного усилителя (ОУ) с применением программы компьютерного моделирования Electronics workbench.

2. Подготовка к работе

Изучить следующие вопросы курса:

• 
  свойства и особенности построения схем интегратора и дифференциатора на ОУ;
  
• 
  способы повышения устойчивости схемы дифференциатора на ОУ;
  
• 
  функциональные схемы и характеристики операционных усилителей.
  

Литература

1. Конспект лекций.

2. Травин Г.А. Схемотехника устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Уч. пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

2. 
   Описание исследуемых схем
   

Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу входного сигнала (площади под кривой входного сигнала). Схема идеального интегратора приведена на рисунке 11.1.

Схема содержит входной резистор R1 и конденсатор С1, включенный в цепь обратной связи ОУ (А1).

Учитывая большой собственный коэффициент усиления ОУ и глубокую отрицательную обратную связь, дифференциальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующем входами (U_д = U_вых / К) близко к нулю. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе близко к напряжению нулевого потенциала, то есть является «виртуальной землей». В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Вследствие большого входного сопротивления ОУ практически весь входной ток протекает через конденсатор С1, заряжая его. При этом реализуется операция интегрирования.

Таким образом, для идеального интегратора

i_R1 = i_C1. (11.1)

При этом

(11.2)


Рисунок 11.1 – Принципиальная схема идеального интегратора (в формате Electronics Workbench)
Подставляя (3.2) в (3.1) и выражая U_вых, получим выражение для выходного напряжения во временной области.

, (11.4)

где Т – интервал интегрирования. Величина T₁ = R1C1 называется постоянной времени интегратора, определяющей скорость заряда емкости.

В реальном интеграторе, построенном по схеме (рисунок 11.1) при интегрировании сигналов низких частот (в том числе сигналов постоянного тока) возникают ошибки интегрирования, связанные с зарядом емкости входными токами ОУ. В этом случае, даже при отсутствии входного сигнала конденсатор может медленно заряжаться (в пределе до напряжения питания). Это объясняется различием входных характеристик транзисторов входного дифференциального каскада. Чтобы уменьшить ошибки интегрирования, параллельно конденсатору подключают электронный ключ для периодического разряда емкости. При компьютерном моделировании эти ошибки не проявляются, поскольку используются одинаковые модели транзисторов.

При интегрировании сигналов переменного тока параллельно конденсатору С1 подключается резистор обратной связи R2, как показано на рисунке 11.2, выполняющий следующие функции:

- ограничение коэффициента усиления на низких частотах;

- устранение ошибки интегрирования, связанной с зарядом емкости С1 входными токами ОУ;

- уменьшение влияния напряжения смещения ОУ.

Таким образом, на низких частотах (f < f_раб) схема интегратора с резистором R2 работает как инвертирующий усилитель с постоянным коэффициентом усиления. На частотах f > f_рабсхема выполняет функции интегратора, при этом АЧХ имеет наклон -20 дБ/дек (коэффициент передачи уменьшается на 20 дБ при каждом десятикратном изменении частоты).

Резистор R3 выступает в качестве нагрузки.


Рисунок 11.2 – Схема лабораторной установки для исследования интегратора (в формате Electronics Workbench)
Дифференциатор – это устройство, выходное напряжение которого пропорционально производной входного сигнала (скорости изменения входного напряжения). Схема лабораторной установки для исследования дифференциатора приведена на рисунке 11.3.

Дифференциатор состоит из резистора R1, конденсатора С1 и ОУ (А1). Изменения входного напряжения вызывают протекание тока через конденсатор С1. За счет большого внутреннего коэффициента усиления ОУ и глубокой обратной связи, его инвертирующий вход, как отмечалось выше, оказывается виртуальной землей, поэтому выходное напряжение ОУ оказывается пропорциональным скорости изменения входного напряжения.

Таким образом, для идеального дифференциатора

i_C1 = i_R1. (11.4)

При этом

(11.5)

Подставляя (3.5) в (3.4) и выражая U_вых, получим выражение для выходного напряжения во временной области.

. (11.6)

АЧХ идеального дифференциатора имеет положительный наклон +20 дБ/дек (коэффициент передачи растет на 20дБ при каждом десятикратном изменении частоты).


Рисунок 11.3 – Схема лабораторной установки для исследования дифференциатора (в формате Electronics Workbench)
При построении схем реальных дифференциаторов возникает ряд практических проблем:

1. 
   Дополнительные фазовые сдвиги в цепи обратной связи могут привести к нарушению устойчивости работы дифференциатора. Таким образом, переходная характеристика будет иметь колебательный характер, что приводит к ошибкам дифференцирования.
   
2. 
   На высоких частотах возрастает входной ток от источника сигнала, что может привести к нарушению его работы.
   
3. 
   Коэффициент передачи дифференциатора возрастает с ростом частоты, что приводит к увеличению высокочастотных помех.
   

Для улучшения работы дифференциатора в схему вводят корректирующие элементы (R2). При этом в передаточной характеристике появляется дополнительный полюс, при котором ограничивается коэффициент передачи на высоких частотах.

С учетом элементов коррекции (при разомкнутом ключе S1), реальный дифференциатор будет выполнять свои функции на частотах f < f_раб. На более высоких частотах сопротивление емкости С1 будет много меньше R2 и схема будет работать как обычный инвертирующий усилитель.

Таким образом, резистор R2 выполняет следующие функции:

1. 
   Ограничивает величину входного тока на высоких частотах.
   
2. 
   Повышает устойчивость работы дифференциатора.
   
3. 
   Ограничивает коэффициент передачи на высоких частотах, что приводит к уменьшению собственных помех дифференциатора.
   

Резистор R2 подключается с помощью ключа S1. Резистор R3 выступает в качестве нагрузки.
11.4. Задание к работе в лаборатории

4.1. Ознакомиться с методикой проведения измерений с применением программы Electronics Workbench.

4.2. Исследовать влияние сопротивления обратной связи R2 на амплитудно-частотную характеристику схемы интегратора. Определить рабочую частоту f_раб для двух различных значений R2 (рисунок 11.2).

4.3. Исследовать влияние сопротивления обратной связи R2 на переходную характеристику интегратора.

4.4. Исследовать амплитудно-частотные характеристики схемы дифференциатора с выключенным и включенным резистором R2. Определить рабочую частоту f_раб обоих случаев (рисунок 11.3).

4.5. Исследовать переходные характеристики схемы дифференциатора с выключенным и включенным резистором R2.
11.5. Порядок выполнения работы

11.5.1. Запустить программу Electronics Workbench. После завершения загрузки управляющей оболочки необходимо открыть схему лабораторной установки, для чего выбрать в меню File команду Open, (либо щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме в линейке меню) а затем из предложенного списка выбрать файл LAB_i.ewb для исследования схемы интегратора.

11.5.2. С помощью Боде-плоттера снять логарифмические амплитудно-частотные характеристики интегратора при значениях сопротивления R2=10кОм и 100 кОм. Определить f_раб для обоих случаев. Для схемы интегратора рабочей считается частота, на которой коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на низких частотах (где коэффициент передачи стремится к постоянной величине).

11.5.3.С помощью осциллографа исследовать переходные характеристики схемы интегратора при значениях сопротивления R2 10 кОм и 100 кОм. Для этого необходимо подать на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и амплитудой 20 мВ. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения для обоих случаев. Объяснить отличие формы сигнала от линейной при малом значении R2.

11.5.5. Закрыть программу LAB_i.ewb (без сохранения изменений). Выбрать в меню File команду Open; из предложенного списка выбрать файл LAB_d.ewb.

11.5.4. С помощью Боде-плоттера снять амплитудно-частотные характеристики схемы дифференциатора. Определить f_раб для случаев, когда ключ S1 замкнут и разомкнут. Для схемы дифференциатора рабочей считается максимальная частота, на которой сохраняется линейно нарастающий характер ЛАЧХ.

11.5.5. С помощью осциллографа исследовать переходные характеристики схемы дифференциатора. Для этого необходимо подать на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и амплитудой 20 мВ. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при замкнутом и разомкнутом ключе S1. Объяснить колебательный характер переходной характеристики в схеме без коррекции.

6. 
   Содержание отчета
   

11.6.1. Принципиальные схемы интегратора и дифференциатора на ОУ.

11.6.2. Полученные в ходе работы логарифмические амплитудно-частотные характеристики и значения рабочих частот.

11.6.3. Переходные характеристики интегратора и дифференциатора для различных вариантов схем.

11.6.3. Выводы по проделанной работе.

6. 
   Контрольные вопросы
   

11.7.1. Назначение интегратора (дифференциатора).

11.7.2. Привести передаточную функцию интегратора (дифференциатора).

11.7.3. Типовая частотная характеристика идеального интегратора (дифференциатора).

11.7.4. Как изменится частотная характеристика интегратора (дифференциатора) с учетом корректирующих элементов?

11.7.5. Почему инвертирующий вход ОУ с обратной связью называют «виртуальной землей»?

11.7.6. Вывести выражения для выходного напряжения идеального интегратора (дифференциатора) во временной области

11.7.7. Переходная характеристика при подаче на вход скачкообразного или периодического импульсного сигнала (для схем интегратора и дифференциатора).

11.7.8. Методы уменьшения погрешности интегрирования для схемы на ОУ.

11.7.9. Способы повышения устойчивости работы дифференциатора на ОУ.

11.7.10. Привести схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей на ОУ. Записать коэффициенты передачи.

11.7.11. Как нужно изменить схему неинвертирующего усилителя, чтобы получить схему операционного повторителя?

11.7.12. Перечислить свойства идеального операционного усилителя.

11.7.13. Пояснить отличие дифференцирующего усилителя от дифференциального.

11.7.14. Нарисовать схему инвертирующего сумматора.

11.7.15. Изобразить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику реального ОУ.


ПРИЛОЖЕНИЯ