Направление подготовки (специальность) 09. 03. 03 Прикладная информатика Профиль Основы цифровой электроники
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Лабораторная работа №5 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Цель работы: 1. Ознакомление с устройством биполярных транзисторов и их свойствами. 2. Исследование работы усилителя с общим эмиттером. 3. Изучение схемы с общим коллектором 4. Изучение основ построения многокаскадных усилителей. Основные теоретические сведения Общие сведения об усилителях Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход. Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование происходит с помощью активных элементов, которые управляются входными сигналами. К входу усилителя подключается источник сигнала, к выходу – нагрузка. Соответственно электрическая цепь, на которую подается входной сигнал, называется входной цепью или входом усилителя, а электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной цепью. Электронные усилители классифицируют по различным признакам: 1) по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ); 2) по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов; 3) по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения, тока, мощности; 4) по ширине полосы усиливаемых частот – узкополосные (избирательные) и широкополосные усилители; 5) по типу нагрузки – резистивные (апериодические) и резонансные усилители. По числу каскадов – одно и многокаскадные; 29 Усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от единиц Герц до десятков килогерц. Усилители постоянного тока (УПТ) представляют собой усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие сигналы в диапазоне частот от 0 H f до верхней рабочей частоты B f , составляющей десятки и сотни килогерц Основные характеристики усилителей Коэффициент усиления – величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше, чем на его входе. Различают усиление по напряжению, по току, по мощности:  В многокаскадном усилителе общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:  число каскадов усиления. Коэффициент усиления обычно выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Входное сопротивление представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя:  Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя  Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузке. При активной нагрузке мощность равна  Коэффициент полезного действия усилителя – это отношение полезной мощности в нагрузке к мощности, потребляемой от всех источников питания  Диапазон усиливаемых частот – это область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не более чем это допустимо по техническим условиям. Динамический диапазон амплитуд – отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд D.  Графическая зависимость выходного напряжения усилителя от его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристикой (рис. 5).  Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики определяют возможности по усилению гармонических колебаний UВЫХ UВЫХ max UВЫХ min UВХ min UВХ max UВХ 31 различных частот. Зависимость модуля коэффициента передачи усилителя от частоты входного гармонического сигнала называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя (АЧХ). Фазочастотной характеристикой усилителя (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты. Обратная связь в электронных усилителях. Обратной связью (ОС) называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход. В зависимости от способа получения сигнала ОС различают обратную связь по напряжению (сигнал ОС пропорционален напряжению нагрузки) и по току (сигнал ОС пропорционален току нагрузки). По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают обратную связь последовательную (когда суммируются напряжения Uвх и UОС) и параллельную (когда суммируются токи Iвх и IОС ). Обратную связь называют положительной, если сигнал ОС суммируется с усиливаемым сигналом, и отрицательной, если сигнал ОС вычитается из усиливаемого сигнала. В усилителе с отрицательной обратной связью (ООС) коэффициент усиления уменьшается. Несмотря на это, последовательная ООС по напряжению очень широко применяется, так как существенно улучшаются свойства усилителя: а) повышается стабильность коэффициента усиления по напряжению при изменениях параметров транзисторов; б) снижается уровень вносимых данным усилителем нелинейных искажений; в) расширяется полоса пропускания; г) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя. Положительная обратная связь применяется при построении генераторов колебаний. Реализация усилителей может быть выполнена на различных электронных приборах: электронных лампах, транзисторах, специальных микросхемах и др. Далее рассмотрим усилитель на биполярном транзисторе. 32 Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи (рис. 9). В зависимости от того, какой электрод транзистора присоединен к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Рассмотрим схему с общим эмиттером (рис. 10).  Для анализа схемы с общим эмиттером приложим к ней входное напряжение Uвх = 0,6В (для кремниевых транзисторов) такое, чтобы через коллектор протекал ток. Если теперь входное напряжение повысить на некоторую величину Uвх, то коллекторный ток увеличится в соответствии с выражением  Так как коллекторный ток протекает через сопротивление Rк, то падение напряжения на Rк тоже повышается и выходное напряжение Uвых возрастает на величину Uвых = -Iк*Rк = -s*Rк*Uвх Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх = -s*Rк. Входное сопротивление такой схемы равно входному сопротивлению транзистора rбэ = Uбэ/Iб = /s = *Uт/Iк. Выходное сопротивление схемы определяют как сопротивление параллельно соединѐнных Rк и rкэ Rвых = Uвых/Iвых = Rк||rкэ. Рассмотренная схема имеет два недостатка. Первый – нелинейные искажения, второй – нестабильность рабочей точки. Для уменьшения обоих недостатков используют отрицательную обратную связь. При этом часть выходного сигнала подаѐтся обратно на вход, с тем, чтобы противодействовать входному сигналу. Вследствие этого уменьшается усиление, однако с помощью отрицательной обратной связи можно обеспечить, чтобы усиление в основном определялось соотношением омических сопротивлений и практически не зависело от нелинейной передаточной характеристики транзистора. В схеме, изображѐнной на рис. 11, отрицательная обратная связь реализована с помощью введѐнного в эмиттерную цепь сопротивления Rэ. В этом случае коэффициент усиления по напряжению определяется как: Кu = Uвых/Uвх = -Rк/Rэ. Как видим, в последнее выражение не входят параметры транзистора, зависящие от тока. Входное сопротивление такой схемы можно определить rвх = *(s + Rэ). ротивление растѐт незначительно и в случае глубокой отрицательной обратной связи стремится к Rк. Рабочая точка в схеме с общим эмиттером, как правило, задаѐтся делителем напряжения R1, R2 и Rэ (рис. 11). При расчѐте последнего каскада руководствуются следующими соображениями. Во-первых, схема не должна шунтировать источник сигнала. Для этого ток коллектора выбирают таким, чтобы параллельное соединение rбэ = *Uт/Iк, R1, R2 было значительно больше rист. Во-вторых, сопротивление rбэ не должно шунтировать делитель R1, R2, т.е. сопротивление параллельного соединения R1, R2 должно быть значительно меньше rбэ.  В третьих, стабильность рабочей точки тем лучше, чем больше падение постоянного напряжения на Rэ, так как в этом случае изменение Uбэ остаѐтся меньше Uэ и, следовательно, изменение коллекторного тока будет незначительным. При стандартном дрейфе от температуры напряжения Uбэ 2мВ/К относительный дрейф напряжения на эмиттере Uэ, а значит и тока коллектора составит 35 2мВ/Uэ. Например, при Uэ = 2В дрейф тока коллектора будет не более 0,1%. В четвѐртых, при установке потенциала коллектора Uк необходимо следить за тем, чтобы напряжение коллектор-эмиттер транзистора во время его работы не падало до напряжения насыщения: Uкэн = 0,3В. С другой стороны потенциал коллектора при отсутствии сигнала нельзя выбирать очень большим так как падение напряжения на Rк и коэффициент усиления по напряжению будут малы. Поэтому если положить, что выходной сигнал должен изменяться в пределах Uвых для напряжения покоя на коллекторе получим Uк = Uэ + Uкэн + |Uвых|. В соответствии с этими соображениями  Ёмкости Свх, Свых в данной схеме являются разделительными. Ёмкость Сэ предназначена для шунтирования Rэ по переменному току. Последнее позволяет при частотах входного сигнала больше  обеспечить максимальный коэффициент усиления по напряжению s*Rк. Режим покоя при этом задан сопротивлением Rэ. Двухкаскадные усилители с непосредственной связью При разработке многокаскадных транзисторных схем одной из главных задач является необходимость согласования каскадов. Схемы нужно согласовать по уровням входных и выходных сигналов и по уровню входных и выходных сопротивлений. Последнее означает, что последующие каскады не должны шунтировать предыдущие. 36 Часто роль каскада согласующего большое сопротивление источника сигнала и малое сопротивление нагрузки выполняет схема с общим коллектором или эмиттерный повторитель рис. 12  Принцип работы схемы с общим коллектором состоит в следующем. Если к базе приложить входное напряжение Uвх большее чем 0,6 В (для кремниевых транзисторов), то протекает коллекторный ток, который вызывает падение напряжения на Rэ. Причѐм Uвых = Uвх – 0,6В. Поскольку Uбэ при изменении тока коллектора меняется незначительно выходное напряжение повторяет входное и коэффициент усиления по напряжению равен Кu = 1. Входное сопротивление эмиттерного повторителя не отличается от входного сопротивления схемы с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току:  Выходное сопротивление определяется как сопротивление параллельно соединѐнных (1/s + Rист/) и Rэ. Очевидно, что входное сопротивление во много раз больше выходного. Установка рабочей точки производится так же, как и в схеме с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Для выбора потенциала эмиттера имеется больше возможностей, так как потенциал коллектора не зависит от управляющего сигнала и равен 37 Uпит. Благодаря этому имеется возможность простой гальванической связи эмиттерного повторителя с выходом предыдущего каскада, как показано на рис. 13.  Описание лабораторной установки Для выполнения лабораторной работы собираются схемы, представленные на рис. 5.7 При исследовании схемы усилителя используется осциллограф и цифровой вольтметр. Лабораторная установка позволяет снять и амплитудночастотную характеристику транзистора. В этом случае комплект приборов дополняется генератором звуковой частоты. В качестве исследуемого транзистора используется КТ315Г типа N-P-N с параметрами:  Элементы на схеме имеют следующие параметры: С2=10 мкФ, R5=75 кОм, R7=13 кОм, R8=2 кОм, С8=20 мкФ. Порядок выполнения работы 1) С помощью резистора R6 при разомкнутой перемычке между R1 и R2 выставить на коллекторе VT1 половину напряжения питания или напряжение, рассчитанное в соответствии с методическими указаниями. 2) Установить перемычку между R1 и R2 и, изменяя R1 снять зависимость: Uвых = f(Uвх). 3) Ёмкость С8 отсоединена. Входное напряжение измерять мультиметром. Используя параметры схемы рассчитать коэффициент усиления по напряжению и сравнить с экспериментальным. 4) Зашунтировать R8 конденсатором С8 и снять зависимость по п.2. Используя параметры схемы рассчитать коэффициент усиления по напряжению для переменного сигнала и сравнить с экспериментальным. 5) Используя генератор синусоидальных колебаний снять амплитудно-частотную характеристику при неизменном амплитудном значении Uвх. 6) Рассчитать входное сопротивление схемы с общим коллектором, используя параметры элементов. Убедиться, что входное сопротивление эмиттерного повторителя значительно больше выходного сопротивления схемы с общим эмиттером на транзисторе VT1. 7) Включить схему и при неизменном напряжении Uвх с делителя R1, R2 таком, что Uвых первого каскада примерно Uпит/2, снять осциллограмму напряжений на входе и выходе повторителя. Убедиться, что они смещены на 0,6В. 8) Рассчитать выходное сопротивление схемы с общим коллектором. Сравнить выходные сопротивления первого и второго каскадов. Сделать заключение.  Рис. 5.7 – Схема установки перемычек на панели стенда Лабораторная работа №6 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ Цель работы: 1. Ознакомление с характеристиками и параметрами операционных усилителей и исследовании их применения в качестве линейных устройств. 2. Исследование дифференциального усилителя. Основные теоретические сведения Операционным усилителем (ОУ) – называют усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход и общий выход, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными сигналами в схемах с обратными связями. В настоящее время ОУ, изготовленные по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми элементами, а благодаря разнообразным внешним обратным связям позволяют создавать устройства самого различного функционального назначения (усилители, сумматоры, компараторы, фильтры, дифференциаторы, интеграторы и т.д.)  На рис. 6.1 приведено условное обозначение ОУ и его схема включения по постоянному току. Как следует из рис. 6.1, он имеет два входа и один выход. Вход (Uвх-), напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 (противофазно) относительно выходного напряжения называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход (Uвх+) 41 – неинвертирующим, т.к. напряжение на нем и выходное совпадают по фазе. ОУ обычно имеет двухполярное питание, а выводы к которым оно подключается обозначены Uип- и Uип+ . Кроме того он может иметь вспомогательные выводы для подключения элементов частотной коррекции и балансировки выходного напряжения. ОУ считается сбалансированным когда выполняется условие: Uвых= 0, когда Uвх= 0. Входные (Uвх+ , Uвх-) и выходное (Uвых) напряжения ОУ связаны соотношением: Uвых = Коу (Uвх+ - Uвх-), (1) где Коу – коэффициент усиления операционного усилителя. В связи с тем, что Коу достаточно велик (105 – 106 ), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи Параметры ОУ можно разделить на следующие группы: Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада: напряжение смещения нуля Uсм , значение которого определяется неидентичностью напряжений Uбэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT; входной ток инверирующего Iвх и неинвертирующего входа I + вх , а также средний Iвх.ср и разностный Iвх.разн входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока ΔIвх.разн /ΔT; максимальное входное дифференциальное Uвх.диф. мах и синфазное Uвх.сс. мах напряжения; входное дифференциальное сопротивление Rвх.оу , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения; входное синфазное сопротивление Rвх.сф. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов. Передаточные параметры: коэффициент усиления по напряжению Коу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу Коу= Uвых/Uвх.диф ; коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала Косс= Коу/ Коу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;  граничная частота fгр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис. 6.2 граничная частота fгр=10 Гц; частота единичного усилия f1 т. е. частота, при которой Коу=1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис. 6.2 частота единичного усиления f1=106 Гц. Граничная частота fгр , частота единичного усиления f1 и коэффициент усиления по напряжению Коу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f1= fгрКоу . запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φзап , характеризует устойчивость ОУ. φзап =1800 – |φ1|, где φ1 – фазовый сдвиг на частоте f1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и 43 одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 450 . Для ОУ фазовочастотная характеристика, которого приведена на рис.1.9 φ1=900 , а φзап=900 . Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ: скада ОУ: выходное сопротивление Rвых ; максимальный выходной ток Iвых.мах , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки Rн.мин ; максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина Uвых.мах=( Еп– 1,5)В, что составляет примерно - 10 В. Переходные параметры: скорость нарастания выходного напряжения Vu.выхмаксимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала; время установления выходного напряжения tуст время за которое выходное напряжение достигает свое стационарное значение с заданной точностью. Параметры цепи питания: напряжение питания ± Еп ; потребляемый ток Iпот . потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки) потребляемая операционным усилителем. Важной характеристикой ОУ является его амплитудная (передаточная) характеристика. Она приведена на рис. 6.1 – Uвых =f (Uвх+ , Uвх-). Кривая 1 соответствует выходному напряжению при входном напряжении на инвертирующем входе и нулевом напряжении на неинвертирующем входе, т.е. Uвых=f(Uвх-)|Uвх+= 0 . Кривая 2 – Uвых= f(Uвх+)|Uвх-= 0 . По амплитудной характеристике можно определить Коу=Uвых/Uвх , и Uсм – напряжение смещения – это постоянное напряжение на входе при котором выходное напряжение равно нулю, т.е. ОУ - сбалансирован, Uсдв – напряжение сдвига - это 44 постоянное напряжение на входе, когда Uвх- = Uвх+ = 0. Типовые значения: Коу=104 ¸107 ; Uсм = 5...20 мВ. При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием "идеального ОУ", для которого  Из параметров идеального ОУ следует, что его входы виртуально замкнуты т.е. Uвх- = Uвх+ , а Rвх=∞. Это утверждение следует из того, что при Коу= ∞ напряжение Uвых = Коу (Uвх+ - Uвх-) всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Еп , что может иметь место только в том случае когда выполняется условие (Uвх+ - Uвх-)= 0 или (Uвх+ =- Uвх-). Реально идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ, с точки зрения погрешностей создаваемых ими, близки к идеальным. Это позволяет использовать понятие идеального ОУ, что существенно упрощает анализ схем, содержащих ОУ. В действительности при расчете схем содержащих ОУ следует учитывать конечные значения Rвх оу , Rвых оу и полосы пропускания. Так номиналы резисторов, подключаемые к выводам ОУ, должны удовлетворять очевидным неравенствам Rmin ≥ 10 Rвых оу , Rmax ≤Rвх оу/10 Параметры некоторых типов ОУ могут изменяться за счет введения частотной коррекции и токового программирования. Частотная коррекция может быть введена в схему ОУ при его изготовлении. Это, так, называемые ОУ с внутренней коррекцией. На рис. 6.2, приведена АЧХ ОУ с внутренней коррекцией. Как известно, такая форма АЧХ обеспечивает устойчивость схем на ОУ при любом требуемом коэффициенте усиления, что достигается за счет существенного ухудшения частотных свойств ОУ. В случае широкого спектра усиливаемого сигнала частотные свойства ОУ накладывают ограничения на значение коэффициента усиления, который можно получить в схеме усилителя, используя данный ОУ. Использование внешних корректирующих элементов позволяет, как правило, обеспечить устойчивую работу ОУ в требуемом диапазоне изменения 45 коэффициента усиления при меньшем ухудшении частотных свойств, но приводит к усложнению схемы усилителя |