Материал: А27463 Дорошков А.В. Теория и компьюторное моделирование устройств электроники Учеб. пособие 2006

Экспериментальное значение коэффициента усиления занести в табл. 3.2.

4.5. Подключив сопротивление нагрузки через разделительный конденсатор к коллектору транзистора, снять осциллограммы коллекторного и входного напряжений. Измерить уровень постоянной составляющей сигнала на нагрузке. Определить коэффициент усиления каскада по напряжению.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Программа работы.

3. Принципиальные электрические схемы всех лабораторных установок.

4. Осциллограммы и таблица с экспериментальными данными.

5. Краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы

При допуске к лабораторной работе:

1. Какова цель и программа работы?

2. Какими величинами определяется режим работы транзистора по постоянному току?

3. Как можно задать ток покоя коллектора ?

4. Как можно задать напряжение покоя коллектора ?

5. Нарисуйте схему усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе с фиксированным напряжением покоя базы.

6. Нарисуйте схему усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе с фиксированным током покоя базы.

7. Нарисуйте схему усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по напряжению.

8. Нарисуйте схему усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по току.

9. Что такое коэффициент нестабильности усилительного каскада?

10. Какую роль играют разделительные конденсаторы в исследуемых схемах усилителей переменного тока?

При защите лабораторной работы необходимо знать ответы на все вышеприведенные вопросы и, кроме того, необходимо знать ответы на следующие вопросы:

1. Почему для реализации усилителя переменного тока наряду с полезным сигналом между базой и эмиттером транзистора должно быть напряжение смещения?

2. При каком напряжении между базой и эмиттером кремниевый npn-транзистор находится в открытом состоянии (примерно)?

3. При каких условиях транзистор работает в режиме класса А?

4. Как влияет величина коллекторного сопротивления на коэффициент усиления транзистора?

5. Как изменяется ток покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным током базы?

6. Как изменяется ток покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным напряжением базы?

7. Как изменяется ток покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным напряжением базы?

8. Как изменяется напряжение покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным напряжением базы?

9. Как изменяется напряжение покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным напряжением базы?

10. Как изменяется напряжение покоя транзистора при изменении величины сопротивления в схеме с фиксированным током базы?

11. Как изменится коэффициент усиления по напряжению каскада с ООС по току при шунтировании резистора конденсатором?

Т е м а 4

Операционные усилители и их применение Теоретические сведения

Операционные усилители (ОУ) – это многокаскадные усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход и несимметричный выход и обладающие большим дифференциальным коэффициентом усиления по напряжению . Свое название ОУ получили в связи с реализацией на их основе различных алгебраических операций (сложения, вычитания, дифференцирования и т. д.).

Амплитудно-частотная характеристика ОУ приведена на рис. 4.1. Нижняя граничная частота у ОУ принципиально равна нулю (). Частота единичного усиления сигнала () зависит от типа ОУ и лежит в диапазоне значений Гц.

Как видно из амплитудно-частотной характеристики ОУ способны усиливать не только сколь угодно медленно изменяющиеся во времени сигналы (), т. е. постоянный ток, но и сигналы переменного тока.

Рис. 4.1. Амплитудно-частотная характеристика ОУ

ОУ являются основным схемотехническим элементом современных аналоговых устройств и предназначены для работы с различными типами обратных связей. Например, путем охвата ОУ соответствующей отрицательной обратной связью достаточно просто создаются высокоточные усилители постоянного и переменного токов, сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, логарифмические усилители и т. д. Без обратных связей ОУ используются в очень редких случаях.

Условные графические обозначения ОУ по отечественным и зарубежным стандартам приведены на рис. 4.2. В некоторых ОУ имеются еще выводы для устранения самовозбуждения усилителя. Эти выводы обозначаются в дополнительном поле как FC-частотная коррекция.

Рис. 4.2. Условные графические обозначения ОУ: DA1 и DA3 – по отечественным стандартам; DA2 – по зарубежным стандартам

Рис. 4.3. Токи и напряжения в ОУ

Напряжение на выходе разомкнутого ОУ, т. е. не охваченного обратной связью (рис. 4.3), можно представить в следующем виде:

, (4.1)

где и – напряжения на входах ОУ; – разность напряжений между входами ОУ;

– дифференциальный коэффициент усиления ОУ по напряжению; – паразитная составляющая выходного напряжения, называемая напряжением смещения нуля на выходе; – дрейф паразитной составляющей выходного напряжения.

Как видно из выражения (4.1), ОУ в раз усиливает разность входных сигналов и в идеале не усиливает синфазную составляющую входных сигналов

. (4.2)

Если напряжение смещения нуля можно схемотехническим путем устранить, то его дрейф устранить практически невозможно.

Основными причинами дрейфа являются:

– температурная зависимость параметров элементов ОУ;

– зависимость параметров элементов от питающих напряжений;

– нестабильность параметров элементов во времени из-за старения элементов.

Для эквивалентного сопоставления ОУ различных типов напряжение смещения нуля и его дрейф оцениваются, как приведенные к входу усилителя:

; (4.3)

. (4.4)

На рис. 4.4 представлена проходная характеристика ОУ – зависимость его выходного напряжения от разности напряжений на входах.

Рис. 4.4. Проходная характеристика ОУ

На проходной характеристике можно выделить три участка – два из них называются участками насыщения, а третий (между ними) – линейным. Линейный участок очень узкий и составляет единицы–десятки милливольт. Только в пределах линейного участка возможно усиление разности входных сигналов. В областях насыщения усиление невозможно. Из проходной характеристики видно, что напряжение смещения нуля, приведенное к входу , численно равно такому входному напряжению ОУ, которое ему надо подать на вход с соответствующим знаком, чтобы получить выходное напряжение, равное нулю.

В настоящее время ОУ выпускаются в интегральном исполнении в достаточно большом ассортименте.

В зависимости от технических характеристик интегральные ОУ делятся на следующие группы:

– ОУ общего применения имеют средние значения всех параметров. Они наиболее дешевы, а потому применяются наиболее часто;

– прецизионные ОУ предназначены для точного выполнения операций над аналоговыми сигналами и имеют дифференциальный коэффициент усиления около или более и малые значения дрейфовых параметров. Их называют измерительными усилителями;

– быстродействующие ОУ имеют большую скорость нарастания выходного сигнала и используются для построения импульсных усилителей;

– микромощные ОУ применяются в автономных устройствах с малым энергопотреблением , ;

– программируемые ОУ имеют добавочный вход, подавая напряжение на который можно управлять параметрами ОУ.

Для расчетов схем и устройств на основе ОУ очень часто используют понятие идеального ОУ. Под идеальным понимают ОУ со следующими параметрами:

– дифференциальный коэффициент усиления по напряжению и, как следствие, разность напряжений на входах ;

– входные токи , а входное дифференциальное сопротивление (как следствие) ;

– выходное сопротивление ;

– верхняя граничная частота .

Современные интегральные ОУ имеют параметры, близкие к идеальным (табл. 4.1).

Таблица 4.1