Коэффициент использования тока. В режиме В он составляет 1,57, то есть амплитуда полезного сигнала в 1,57 раз больше полезного сигнала. В режиме А коэффициент использования тока Кi=I1/Iср меняется в зависимости от амплитуды входного сигнала, что изменяет положение рабочей точки на ВАХ;
- полезная мощность и КПД, которые равны Рm=0,5Im*Um,
кпд = Рm/Ро = 0,785 ξ,
- где - Ро=2Iкm*Ек /π – потребляемая каскадом мощность;
- ξ=Um/Eк – коэффициент использования напряжения,
что более чем в 1,5 раза превышает кпд такого же каскада в режиме А.
- максимальная мощность выделяемая на коллекторе –
Ркm=0,1Ек 2/ Rпл выделяется при амплитуде сигнала, соответствующей ξ=0,637.
Основным недостатком каскада является трудность в подборе комплементарных транзисторов.
Вопросы допуска
1 В каких усилительных каскадах используются бестрансформаторные схемы усиления мощности и почему?
2 Какие требования предъявляют к работе каскадов усиления мощности?
3 Каковы параметры и особенности работы двухтактной бестрансформаторной схемы?
4 Перечислите достоинства двухтактного бестрансформаторного оконечного каскада мощности.
5 Каковы недостатки двухтактного бестрансформаторного предоконечного каскада мощности?
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема исследуемого усилителя
Рисунок 17 - Схема двухтактного бестрансформаторного оконечного каскада
3 Таблица измерений
| % изменения подстроечного резистора | Uвх | Uвых | Осциллограмма |
4 Расчетная часть
Порядок выполнения
Активизировать программу Multisim.
Установить % изменения построечного резистора с помощью клавиши R (английский регистр) значение «0».
Включить режим моделирования
Записать в таблицу измерений показания входного и выходного вольтметров и начертить осциллограмму, соответствующую данным условиям.
Повторить измерения для значений таблицы.
Выключить моделирование кнопкой
Расчетная часть
Рассчитать коэффициент усиления усилителя и коэффициент полезного действия.
Контрольные вопросы
1. Какой трансформаторный усилитель называют двухтактным?
2. Как называются транзисторы, используемые для организации двухтактного трансформаторного усилителя?
3. Какие транзисторы называют комплементарными?
4. Перечислите энергетические показатели двухтактного бестрансформаторного предоконечного каскада усиления мощности?
5. Каковы достоинства и недостатки двухтакного бестрансформаторного усилителя?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14
Исследование работы схем на операционном усилителе (ОУ)
Цель работы: исследовать работу схемы на операционном усилителе, его параметры и характеристики.
Используемое оборудование: ПК, Multisim
Краткие сведения
Многокаскадный УПТ с дифференциальным входом и несимметричным выходом называют операционным усилителем (ОУ). Операционным усилитель был назван потому, что он использовался в аналоговых вычислительных машинах (еще в ламповом варианте) для выполнения операций масштабирования, суммирования и интегрирования. Пример построения ОУ приведен на рисунке 1. Транзисторы в диодном включении обозначены на схеме как диоды. ОУ содержит входной дифференциальный усилительный каскад на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока VT5, получающим смещение с делителя R1, VD1 и динамической нагрузкой в виде "токового зеркала" на транзисторах VT3, VT4. Через согласующий эмиттерный повторитель VT6 сигнал поступает на выходной каскад в виде усилителя напряжения VT7 (схема с ОЭ) с динамической нагрузкой VT8 и усилитель тока на транзисторах VT9, VT10, получающий смещение с диодов VD2, VD3 для работы в режиме АВ.
Рисунок1 - Вариант принципиальной схемы ОУ
Приведенное схемное решение характерно для интегральной технологии изготовления операционных усилителей. Применение транзисторных структур в качестве динамических нагрузок не только повышает коэффициент усиления каскадов, но и уменьшает площадь, которую они занимают на поверхности кристалла по сравнению с резистивной нагрузкой.
Для повышения входного сопротивления ОУ входной каскад переводят в режим микротоков. Он дает усиление порядка ста. Основное усиление по напряжению (порядка нескольких тысяч) дает каскад на транзисторе VT7. Корректирующий конденсатор Скорр делает постоянную времени каскада на транзисторе VT7 много большей постоянных времени других каскадов, что обеспечивает возможность охвата ОУ отрицательной обратной связью большой глубины без потери устойчивости усилителя.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫИ ТИПОВЫЕ СХЕМЫВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и характеристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самыми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Такая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внешних цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые и другие элементы.
На рисунке 2 приведена схема включения сдвоенного ОУ с внутренней цепью частотной коррекции, выполненного на микросхеме К14ОУД20. Показана цепь балансировки нуля, с помощью которой устраняется начальный сдвиг нулевого уровня на выходе операционного усилителя. Без балансировки при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе устройств, построенных на ОУ, иногда может составлять единицы вольт
.
Рисунок 2 – Схема включения сдвоенного ОУ с внутренней цепью частотной коррекции
Условное графическое обозначение ОУ показано на рисунке 3а. На этом же рисунке приведены амплитудная (б) и амплитудно-частотная (в) характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий (U+) и инвертирующий (U-). Уровни положительного и отрицательного ограничения приближаются по величине к напряжениям двухполярного источника питания. Возможное смещение амплитудной характеристики относительно начала координат характеризует напряжение смещения Uсм. Амплитудно-частотная характеристика ОУ в области верхних частот вплоть до частоты единичного усиления f1 спадает с таким наклоном, при котором во сколько раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на 20 дБ в логарифмическом масштабе).
Рисунок3 - Основные характеристики ОУ
При практическом применении операционных усилителей разработчиков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включения и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):
1) коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);
2) входное сопротивление (Rвх- сотни килоом);
3) выходное сопротивление (Rвых- сотни ом);
4) напряжение смещения (Uсм = 1мВ);
5) входной ток (Iвх = 100 нА);
6) коэффициент подавления синфазного сигнала (Mсф = 70 дБ);
7) частота единичного усиления (f1 = 0,5 МГц);
8) напряжение питания (±E=5−20 В);
9) дрейф напряжения смещения δ U см = 2 мкВ / С°.
Рисунок 4 - Типовые схемы включения ОУ: а) инвертирующее; б) неинвертирующее
Упрощенный анализ устройств на ОУ будем проводить для идеального операционного усилителя, т.е. имеющего К=∞, Rвх=∞, Rвых=0, Uсм=0, Iвх =0, Мсф=∞. По мере совершенствования схемотехники и технологии изготовления ОУ их характеристики все больше приближаются к идеальным т.к. К®∞.
Получим основные соотношения для типовых включений ОУ. В практических схемах в качестве Z1 и Z2 могут использоваться резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а также двухполюсники, составленные из их последовательного или параллельного соединения. Потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов идеального ОУ можно считать одинаковыми.
При инвертирующем включении (рисунок 4а) через элемент Z1 течет ток I1=Uвх / Z1.Точно такой же ток течет и через Z2, т.к. Rвх=¥. Таким образом
Uвых=–Iос*Z2=–Uвх*Z2 / Z1, а
Кос=–Z2 / Z1. (11.14)
При неинвертирующем включении (рисунок 4б) по цепи ОС течет ток Iос=Uвх/Z1 и Uвых=I1*Z1+Iос*Z2=Uвх[(Z1+Z2)/Z1, откуда
Кос=1+Z2 / Z1. (11.15)
На основе операционных усилителей путем введения внешних цепей обратной связи (в том числе и частотно-зависимых) строится большое число электронных устройств, осуществляющих эффективное преобразование электрических сигналов и широко используемых в измерительной технике. Их передаточные свойства описываются в первом приближении соотношениями (11.14) и (11.15). Для оценки погрешностей измерительных устройств приходится учитывать влияние реальных параметров применямых ОУ. Точность измерительных устройств сильно зависит и от класса точности элементов, используемых в цепи ООС операционного усилителя.
Вопросы допуска
1 Какие усилители называют операционными?
2 Перечислите основные параметры ОУ.
3 Какие виды ОУ вам известны?
4 Какие требования предъявляют к входным каскадам ОУ?
5 Какие требования предъявляют к выходным каскадам ОУ?
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема.
Рисунок - Схема инвертирующего усилителя на основе ОУ
Рисунок - Схема неинвертирующего усилителя на основе ОУ.
Рисунок Схема сумматора
Рисунок -Схема вычитающего (дифференциального) усилителя
3 Таблица измерений
| Измеряемые величины | Численные значения | Коэффициент усиления, К |
| U1 (вход) | ||
| U2 (выход) |
4 Расчетная часть
Порядок выполнения
Активизировать программуMultisim. Включить режим моделирования
Записать в таблицу измерений показания входного и выходного вольтметров.
Наблюдать осциллограммы напряжений на входе и выходе.
Выключить режим моделирование кнопкой
Расчетная часть
Рассчитать коэффициент усиления схемы и сравнить с экспериментальными данными.
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя, из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.
Так как i = 0, то i1 = i2.
Предположим, что усилитель работает в режиме усиления, тогда
u диф = 0.
В соответствии с этим:
U вх Uвых Ros
I1 = ––––––; I2 = ––––––, тогда Uвых = - Uвх –––––.
R1 Ros R1
Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным:
Ros
Кu = - -------
R1
Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор, номинал которого рассчитывается по формуле:
R1 * Ros
R3 = R1 || Ros = –––––––––;
R1 + Ros
Выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью равно:
Rвых
Rвых ос = ---------------------
R1
1 + K -----------
R1 + Ros
Контрольные вопросы
1 Какие ОУ частного применения вы знаете?
2 Для чего предназначен инвертирующий усилитель?
3 Какую функцию выполняет неинвертирующий усилитель?
4 Как осуществляется сложение двух или более входных сигналов, и какой усилитель позволяет осуществить эту операцию?
5 Поясните назначение и принцип действия вычитающего ОУ.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №15
Исследование схемы ОУ с частотно-зависимой ОС
Цель работы: исследовать принцип действия ОУ с частотно-зависимой обратной связью, его параметры и характеристики.
Используемое оборудование:
– ПК, ПО Multisim
Краткие сведения
Операционные усилители могут быть использованы как самостоятельные устройства, так и входить в другие электронные схемы. Наиболее широкое применение получили линейные схемы на основе операционных усилителей. Для понимания процессов, происходящих в таких устройствах, используют математический анализ на основе ряда допущений:
- входное сопротивление ОУ равно бесконечности, следовательно, входные токи равны нулю;
- выходное сопротивление ОУ равно нулю, то есть ОУ со стороны выхода является идеальным источником напряжения;
- коэффициент усиления по напряжению дифференциального сигнала равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю, при этом не допускается закорачивания выводов усилителя;
- в режиме насыщения напряжение на выходе усилителя равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного сигнала;
- синфазный сигнал не действует на операционный усилитель;
- напряжение смещения равно нулю.
Вопросы допуска
При усилении сигналов переменного тока в широкополосных и импульсных усилителях, важными показателями являются полоса пропускания и максимальная скорость нарастания выходного напряжения.
В процессе работы некоторые операционные усилители имеют внутреннюю частотную коррекцию – конденсатор емкостью 25-30 пФ, который повышает устойчивость схемы, защищая от самовозбуждения на высоких частотах, за счет уменьшения коэффициента усиления, благодаря шунтирующему действию этой емкости на высоких частотах.
В схемах ОУ выделяют следующие закономерные недостатки, которые влияют на скорость нарастания напряжения.
1 Чем больше емкость С и меньше зарядный ток, тем больше требуется времени для разряда конденсатора до требуемого напряжения. Поэтому, чтобы добиться максимальной скорости нарастания выходного напряжения, требуется иметь либо минимальную емкость, либо большой ток для ее заряда.
2 Каждый переменный сигнал имеет собственную скорость нарастания выходного напряжения, и если оказывается, что максимальная скорость нарастания напряжения выше скорости нарастания напряжения ОУ, появляются искажения сигнала. При этом скорость изменения выходного напряжения будет равна скорости нарастания входного напряжения.
3 Наличие корректирующей емкости внутри схемы ОУ, защищая его от самовозбуждения, в свою очередь приводит к тому, что скорость нарастания напряжения снижается за счет времени заряда этой емкости, уменьшая полосу пропускания.
Для устранения этих недостатков используют схемы частотной коррекции на ОУ. Коррекция может осуществляется включение емкостей или индуктивностей на входе ОУ или в цепь обратной связи. Могут применяться совместное включение емкостей и индуктивностей, тогда на АЧХ появляются характерные для резонанса подъемы или спады.
Некоторые модели ОУ имеют специальные выводы для подключения к ним цепей частотной коррекции.
Вопросы допуска
1 Перечислите типы ОУ.
2 Какие требуются предположения для математического анализа работы ОУ?
3 Какими недостатками обладают ОУ?
4 Какие функции позволяет реализовать внутренняя частотная коррекция?
5 Как зависят параметры от наличия емкости в цепях схемы ОУ?
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема ОУ с частотной коррекцией.
Рисунок 1 – Схема коррекции с конденсатором
Рисунок 2 – Схема коррекции с индуктивностью.
Рисунок 3 – Схема коррекции, уменьшающая полосу пропускания
Рисунок 4 – Схема коррекции, увеличивающая полосу пропускания
Рисунок 5 – Схема коррекции с последовательным LC контуром
Рисунок 6 - Схема коррекции с параллельным LC rjynehjv/
3 Осциллограмма с АЧХ ОУ.
4 Расчетная часть
Порядок выполнения
Активизировать программу Multisim. Включить режим моделирования.
Исследовать частотные характеристики схемы ОУ с частотной коррекцией, заданной преподавателем. Перечертить АЧХ ОУ с экрана электронного осциллографа для различных вариантов коррекции..
Выключить режим моделирования.
Расчетная часть
Рассчитать ДРЧ ОУ по снятым осциллограммам.
Контрольные вопросы
1 Как изменяется АЧХ при включении в схему ОУ цепей частотной коррекции?
2 Какие элементы могут быть использованы в цепях частотной коррекции ОУ?
3 Какие приемы частотной коррекции вам известны?
4 Как влияет номинальное значение конденсатора на частотную коррекцию ДРЧ?
5 Можно ли не использовать частотную коррекцию для ОУ?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №16
Исследование генераторов на операционных усилителях
Цель работы: исследовать принцип работы генератора синусоидальных колебаний и генератора импульсов.
Используемое оборудование: ПК, Multisim
Краткие сведения
Принцип работы генератора синусоидальных колебаний основан на использовании в цепях положительной (ПОС) и отрицательной (ООС) обратных связях фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RC-цепочек и др. Существуют и другие способы генерирования синусоидальных сигналов, например, за счет фильтрации импульсов треугольной формы или выделения первой гармонической составляющей из прямоугольных импульсов.
Одним из условий получения синусоидальных колебаний с минимальными искажениями – это общий коэффициент передачи усилителя должен быть равен единицы. Если коэффициент больше единицы, появляются искажения, если меньше, то срываются колебания. В связи с этим, для того чтобы обеспечить постоянство амплитуды колебаний необходимо строго регулировать глубину ОС. Однако в ряде случаев это значительно усложняет схему генератора.
Вариант схемы генератора с мостом Вина в цепи положительной обратной связи приведен на рисунке 1.
Рисунок 1-Схема генератора с мостом Вина.
Учитывая, что коэффициент передачи моста Вина равен 1/3, а общий коэффициент усиления усилителя должен быть равен единице, условия работы генератора следующие
R2=2R1 C1=C2
F=1/2pR1C1
Для обеспечения постоянной амплитуды в схему введен ограничитель на диодах D1 и D2.
Принцип работы генераторов прямоугольных импульсов как и вообще всех генераторов, основан на использовании цепи положительной ОС в ОУ. Однако в отличие от генераторов синусоидальных колебаний такие схемы обычно имеют только активные сопротивления в цепи положительной ОС.
Простейшая схема генератора прямоугольных импульсов показана на рисунке 2. В этой схеме неинвертирующий вход ОУ соединен с выходом через резистивный делитель R2, R1, так что коэффициент передачи сигнала по цепи ПОС равен
Кп=R1/(R1+R2)
Рисунок 3 – Схема генератора прямоугольных импульсов.
ОУ выполняет роль компаратора (устройства сравнения, которое при равенстве напряжений на входах изменяет сигнал на выходе скачком), на выходе которого напряжение изменяется меду предельными уровнями, определяемыми насыщением выходного каскада ОУ. Рассмотрим работу генератора. Когда напряжение на выходе находится на высоком уровне U+нас, конденсатор С1 заряжается до напряжения, определяемого делителем R2, R1. В этот момент компаратор переключается, и напряжение на выходе ОУ устанавливается на уровне U-нас. Далее конденсатор начинает перезаряжаться до тех пор, пока напряжения на входах ОУ не станут равными. В этот момент напряжение на выходе ОУ вновь установится на уровне U+нас и весь процесс повторится. Таким образом, схема представляет самовозбуждающийся автогенератор (мультивибратор). Если уровни ограничения одинаковы, что имеет место для большинства ОУ, то период колебаний генератор будет равен
T=2R3*C1*ln(1+2R1/R2)
Для того, чтобы иметь возможность изменять длительность положительных и отрицательных импульсов выходного сигнала генератора (регулировать скважность импульсов), можно в цепи ООС использовать переменный резистор и два диода D1 и D2 (рисунок 3).
Вопросы допуска
1 Что такое положительная и отрицательная обратные связи?
2 Чем определяется глубина обратной связи?
3 Что такое ООС по напряжению?
4 Что такое ПОС по току?
5 Условие самовозбуждения генератора?
Содержание отчета
1 Название и цель работы.
2 Принципиальные схемы генераторов синусоидальных колебаний и прямоугольных импульсов.
Рисунок 3 – Схема генератора синусоидальных колебаний
Рисунок 4 – Схема генератора прямоугольных импульсов.
3 Осциллограммы на выходах генераторов.
4 Расчетная часть