II . Самостоятельная работа. Исследование входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером на экране осциллографа

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Исходные данные:

см. таблицу 2.

Примечание: Модели искомых транзисторов находятся на вкладке Models в библиотеке транзисторов 2 n или nationl 2.

Задание. Исследование входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером на экране осциллографа.

1. Собрать схему исследования, приведенную на рис. 18.

Рис. 18.

2. Установить параметры функционального генератора согласно рис. 19.

Рис. 19

3. Установить параметры осциллографа согласно рис. 20

Рис. 20

4. Сохранить файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan _13_03. Покажите преподавателю полученную зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер и зарисуйте ее в отчет.

Удалите папку с вашей Фамилией.

Контрольные вопросы.

1. Какие бывают транзисторы и в чем их отличие? Что называется биполярным транзистором? Как он обозначается на схемах?

2. В чем заключается принцип работы полевого транзистора? Как обозначается на схемах полевой транзистор?

3. Что такое статические характеристики биполярного транзистора? Какие они бывают?

4. Что такое динамические характеристики биполярного транзистора.

Лабораторная работа №3

Исследование характеристик операционного усилителя, неинвертирующих усилителей

Цель:

Овладение практическими навыками исследования характеристик операционного усилителя, схем на операционных усилителях с использованием средств САПР Electronics Workbench.

Результат обучения:

После успешного завершения занятия пользователь должен:

· Уметь создавать и редактировать простейшие схемы исследования характеристик операционного усилителя, неинвертирующих усилителей с использованием средств САПР Electronics Workbench;

· Знать назначение и функциональные возможности операционных усилителей (ОУ).

· Проводить анализ неинвертирующих усилителей средствами САПР

Используемые программы:

Electronics Workbench в. 5.0

I . Исследование характеристик операционного усилителя, неинвертирующих усилителей

1.1. Общие теоретические сведения.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных эклектических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U_вх , источник питания U_п и нагрузочное устройство с сопротивлением Z_н (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема усилительного устройства.

Входной сигнал U_вх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы. Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй - инверсным.

Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы (рис. 2). Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.

Рис. 2. Структурная схема усилителя с обратной связью.

В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с выходным, то связь называется положительной. В этом случае:

;

;

,

где - коэффициент усиления усилителя без обратной связи; - коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью; - коэффициент передачи в цепи обратной связи. Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи (ПОС) увеличивает коэффициент усиления. При В_ОС=1/К_U0 увеличение равно .

Отрицательная обратная связь (ООС) возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180⁰.

;

;

.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, построенных на транзисторах с общим эмиттером, у которых имеется общий эмиттерный резистор R_э (рис. 3) и два входа: прямой и инверсный.

Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания U_n, а в другую — сопротивление нагрузки R_н. Для балансировки моста (U_вых=0) необходимо, чтобы

или R_VT1R_k2=R_VT2R_K1,

где R_VT1 и R_VT2 – выходное сопротивление транзисторов VT1 и VT2.

Рис. 3. Дифференциальный усилительный каскад (а)

и его эквивалентная схема (б)

Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться иным при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода, поэтому для выходного напряжения можно записать

,

где К₁ и К₂ соответственно коэффициенты усиления каскадов на транзисторах VT1 и VT2.

В общем случае, если U_вх1=- U_вх2 и U_вх= U_вх1-U_вх2=2U_вх1,

,

где - коэффициент усиления дифференциального усиления.

Многокаскадные усилители. Коэффициент усиления одиночных транзисторных каскадов не превышает нескольких десятков, поэтому для усиления слабых сигналов применяются многокаскадные усилители, которые строятся путем последовательного соединения отдельных усилительных каскадов (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема многокаскадного усилителя.

В многокаскадных усилителях выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом для последующего каскада. Входное сопротивление многокаскадного усилителя определяется входным сопротивлением первого каскада, а выходное - выходным сопротивлением последнего каскада. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, входящих в него:

K_U=K_U1^.K_U2^....^.K_Un,

где K_U1, K_U2,…K_Un— коэффициенты усиления отдельных каскадов.

Важными характеристиками многокаскадного усилителя являются его амплитудно-частотная и амплитудная характеристики. Отдельные каскады могут иметь различные АЧХ. Общая АЧХ многокаскадного усилителя определяется всеми входящими в его состав каскадами.

Связь отдельных каскадов друг с другом осуществляется с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В соответствии с этим различают многокаскадные усилители с емкостной, индуктивной или гальванической связями.

Расчет многокаскадного усилителя производят, начиная с оконечного каскада к первому. Оконечный каскад рассчитывается по обеспечению требуемой мощности или тока (напряжения). Количество каскадов определяется общим коэффициентом усиления. В многокаскадных усилителях широко используются обратные связи, с помощью которых достигаются требуемые технические параметры.

Операционный усилитель (ОУ) – аналоговая интегральная микросхема, содержащая многокаскадный усилитель постоянного тока, обладающий следующими свойствами:

· Высокий коэффициент усиления по напряжению K_U,

· Высокое входное сопротивление R_вх ,

· Малое выходное сопротивление R_вых,

· Если входное напряжение U_вх равно нулю, то и выходное напряжение U_вых равно нулю.

Для идеального операционного усилителя K_U , R_вх , R_вых , . ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым - усилитель напряжения и последним — усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 5. Выходное напряжение связано с входным напряжением U_вх1 и U_вх2 соотношением: , где K_U0 - коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Рис.5. Графическое изображение ОУ.

Операционный усилитель характеризуют следующие параметры:

· коэффициент усиления по напряжению .

Обычно K_U0=10⁵ 10⁷;

· амплитудно-частотная характеристика:

· частота единичного усиления f _ед - это частота, на которой модуль коэффициента усиления К_U0=1;

· входное сопротивление (дифференциальное) R_вх - сопротивление между прямым и инверсным входами. Типовое значение – сотни кОм. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы;

· выходное сопротивление R _вых - сопротивление на выходе усилителя, рассматриваемом как эквивалентный генератор. Типовое значение – сотни Ом;

· входной ток I _вх – ток на входе усилителя, необходимый для обеспечения требуемого режима работы входных транзисторов по постоянному току. Он определяется как средний входной ток инвертирующего и неинвертирующего входов

. (1)

Типовое значение – единицы микроампер – сотни наноампер;

· разность входных токов

. (2)

Входные токи могут отличаться друг от друга на 10-20%. Типовое значение – от единиц мкА до десятых нА.;

· выходной ток I _вых - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность;

· скорость нарастания выходного сигнала V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах/микросекунду;

· напряжение смещения U_CM. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить к входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно «0». Обычно U_CM бывает от единиц микровольт до десятков милливольт;

· мощность (или ток) потребления;

· дрейф напряжения смещения /градус;

· дрейф разности входных токов /градус;

· коэффициент подавления синфазных помех.

Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно-допустимых основных эксплуатационных параметров.

Применение и классификация ОУ.

Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Это стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Поэтом ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+U_n, -U_n). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В...±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются пассивные внешние элементы, в качестве которых используются резисторы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.

В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:

Универсальные (или ОУ общего применения) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения U_CM — единицы милливольт, температурный дрейф — десятки микровольт/°С, коэффициент усиления K_V0 - десятки тысяч, скорость нарастания Vu_вых- от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смешения U_CM 250 мкв; температурный дрейф 5 мкв/°С; коэффициент усиления 200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции - демодуляции. Например, ОУ К140УД21. К140У24 и др.

Мощные и высоковольтные ОУ - усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток I_вых 100 мА, выходное напряжение U_вых 15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления f_ед. Для таких ОУ обычно: V 50 В/мкс. .

Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11 К544УД2, К574УД2.

Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УДЗ.

Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегаОм, а входной ток I_вх не превышает 100 нА. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Для получения малого значения входного тока могут использоваться так называемые супер-бета транзисторы, у которых коэффициент усиления по току превышает 5000.

Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем. Ниже приведены основные функциональные схемы, выполненные на базе ОУ.

Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ. Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи, в качестве которых используются резисторы, емкости, индуктивности, полупроводниковые приборы и т.д. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и т.д.

Повторитель напряжения (рис. 6) представляет собой усилитель, охваченный 100% отрицательной обратной связью (ООС) по выходному напряжению B_oc=1. Для повторителя U_вых=U_вх.

;

;

,

Рис. 6. Повторитель напряжения.

где K_U0 - коэффициент усиления без ООС; R_вх0 - входное сопротивление ОУ без ООС.

Благодаря большому входному сопротивлению и малому выходному сопротивлению повторитель используется в качестве согласующего элемента.

Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 7) – это усилитель, в котором входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Здесь коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется выражением

.

Тогда коэффициент усиления усилителя

.

Полагая, что К_U0 т.е. операционный усилитель считаем идеальным, получим

,

т.е. .

Рис. 7. Неинвертирующий усилитель.

На основании полученного выражения можно сделать вывод, что коэффициент усиления усилителя не зависит от параметров ОУ и не может быть меньше единицы. Следует отметить, что в рассматриваемом усилителе фазы входного и выходного напряжения совпадают.

Если сопротивление Z₁ отсутствует, то неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения с коэффициентом усиления, равным 1. Такой повторитель используется в качестве элемента согласования между источником сигнала и нагрузкой. В качестве повторителя напряжения часто используются ОУ, у которых в первом каскаде (в дифференциальном усилителе) использованы полевые транзисторы.

1.2. Исследование характеристик ОУ

Исходные данные:

· ОУ LM 741.

Задача исследования №1:

· Определить значение входного тока I_вх и разность входных токов Δ I _вх .

Схема измерения входных токов ОУ, представлена на рис. 8.

Рис. 8

Схема на рис. 8 состоит из исследуемого ОУ и подключенных измерительных приборов, предназначенных для измерения токов инвертирующего и неинвертирующего входов.