Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Цель работы: ознакомление с принципом работы и основными характеристиками многокаскадных усилителей с резиствно-емкостной связью.
Усилители – это устройства, предназначенные для усиления переменных сигналов. Такое преобразование осуществляется за счет энергии постоянного источника питания.
Усилители широко применяются в науке и технике.
Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий усилительный элемент (биполярный или полевой транзистор), пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и постоянный источник питания, которые обеспечивают нужный режим работы каскада.
На рис. 1, приведён наиболее распространенный усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) на основе биполярного транзистора n-p-n типа VT. Назначение элементов каскада: источник питания Ек (включается между клеммой +Ек и «землёй» ┴) обеспечивает режим каска да но постоянному то ку («режим покоя»), т.е. величины
токов Iбо, Iк и напряжений Uбэ0, Uкэ0, на которые накладываются переменные составляющие токов и напряжений. За счёт энергии посто янного источника осуществляется усиление переменного сигнала Uвх, снимаемого с генератора синусоидальных колебаний, в усиленный сигнал Uвых, поступающий, в нагрузку Rн. Величина резистора Rб определяет значение «тока покоя» в цепи базы Iбо, Rк – нагрузочный резистор, определяет значение переменного выходного напряжения Uвых. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 исключают прохождение постоянных составляющих токов и напряжений каскада в генератор или нагрузку (или из генератора и нагрузки в каскад).
Усилительный каскад, изображенный на рис. 1, является усилителем напряжения. Он характеризуется коэффициентом уси ления по напряжению
k =,
который составляет величину порядка 10...100.
С целью получения большого коэффициента усиления усили тельного устройства несколько каскадов объединяются в много каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве дению коэффициентов усиления всех каскадов устройства:
k = k1•k2•...•kN,
где N – число каскадов.
При этом выходное напряжение предыдущего каскада пода ется на вход последующего. Соединение каскадов производится через элементы связи (конденсаторы, резисторы либо трансфор маторы), которые определяют тип усилителя.
На рис. 2 изображена, принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной (RC) связью, являющейся наиболее распространенным типом связи. Каскады соединены через разделительный конденсатор Ср2. Элементы Rэ и Сэ в цепях эмиттеров транзисторов VТ1 и VТ2 обеспечивают температурную стабилизацию режима усиления. Делители напряжения R1-R2 и R3-R4 задают величину постоянного напряжения на базах тран зисторов VТ1 и VТ2 каждого каскада.
Аналогичная схема усилителя с RC-связью на микросхемах представлена на рис. 3, где в усилительных каскадах исполь зованы операционные усилители с большим коэффициентом усиле ния (М1 и М2). Назначение соединительных элементов схемы аналогично усилителю на транзисторах. Коэффициент усиления этого усилителя значительно выше, чем усилителя на дискретных элементах.
Основные характеристики усилителей – амплитудная и амплитудно-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения. Эта характерис тика представлена на рис. 4. Участок «ab» кривой соответ ствует линейному режиму работы усилителя (т.е. Uвых пропор ционально Uвх, и коэффициент усиления k = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. Рабочим участком является линейный участок характеристики («ab»).
Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это за висимость коэффициента усиления усилителя от частоты усили ваемого сигнала. Вид этой характеристики для усилителя с RC-связью показан на рис. 5.
Коэффициент усиления в области средних частот k0 посто янен. В области низких частот (при f→0) сопротивление конден сатора связи Ср2 растёт:
XCр2 =→∞
Напряжение на нём также растёт, следовательно, выходное напря жение первого каскада падает и k→0 при f→0. Так как выход первого каскада шунтируется входной ёмкостью второго каскада С0 то в области высоких частот при f→∞ соп ротивление ёмкости падает
XC0 =→0,
следовательно, напряжение на входе второго каскада падает и k→0 при f→∞.
Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентами частотных искажений на верхних частотах
Мв =
и на нижних частотах
Мв =
где kв и kн – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах. Очень часто допустимое значение коэффициента частот ных искажений М принимают равным . Частоты fн гр и fв гр, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот
Δf = fн гр - fв гр
полосой пропускания усилителя.
На лицевой панели лабораторного стенда изображены две исследуемые схемы двухкаскадных усилителей с RC-связью (разделены горизонтальной чертой):
Переключатели, тумблеры и ручки потенциометров обеих схем локализованы около соответствующих усилителей.
Внизу под схемой усилителя на транзисторах расположены гнёзда Гн1 – Гн6, расположение которых указано в соответствующих точках на схеме рис. 6.
Блок питания Ек.
В правом верхнем углу стенда находится блок питания (Ек) усилителя: переключатель Ек напряжения для двух типов усилителей, потенциометр плавной регулировки напряжения Ек и вольтметр для измерения напряжения питания.
Верхнее положение тумблера Ек1 соответствует питанию усилителя на транзисторах.
Нижнее положение тумблера Ек2 соответствует питанию усилителя на микросхемах.
Регулировка ёмкости разделительного конденсатора цепи связи Ср3 – Ср4 осуществляется тумблером В3. В данной работе используется только одно положение тумблера В1 (нижнее), соответствующее значению Ср1 = 20,0 мкФ.
Верхнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости Ср4 = 0,01 мкФ.
Нижнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости Ср3 = 20,0 мкФ.
Переключатели В4 и В6 из схемы исключены, в цепях эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 постоянно включены ёмкости Сэ = 20,0 мкФ.
Нагрузка усилителя регулируется переключателем В7.
Среднее положение B7 – холостой ход.
Правое положение – активная нагрузка. Величина нагрузки усилителя регулируется потенциометром Rн2.
Источником переменного входного сигнала является генератор синусоидальных колебаний, позволяющий регулировать вели чину и частоту сигнала (стандартный генератор располагается рядом с исследуемым стендом).
Величина усиленного выходного сигнала измеряется милливольтметром В3 41, а форма исследуется с помощью осциллографа (милливольтметр и осциллограф располагаются рядом с исследуемым стендом).
|
Номер опыта |
Значения разделительной ёмкости |
Положение тумблера В3 |
|
1 |
Ср = 0,01 мкФ |
В3 – вверх, |
|
2 |
Ср = 20,0 мкФ |
В3 – вниз, |
Результаты измерений записать в таблицу 1 бланка лаборатор ных работ.
Установить ёмкость Ср3 = 20,0 мкФ (тумблер В3 – вниз). На вход усилителя подать с генератора вход ной сигнал Uвх = 1 мВ на частоте f = 5 кГц. Последовательно измерить вольтметром выходное напряжение первого (Гн3, Гн4 – ┴) и второго (Гн5, Гн6 – ┴) каскадов.
Результаты записать в таблицу 2 бланка лабораторных ра бот.
Для этого установить частоту входного сигнала f = 5 кГц; величину входного сигнала Uвх изменять от 1 до 30 мВ.
Измерить значения Uвых (Гн5, Гн6 – ┴) и записать в таблицу 3 бланка лабораторных работ.
К выходным клеммам усилителя (Гн5, Гн6 – ┴) подсое динить осциллограф. Включить тумблер «сеть» и настроить осциллограф. Меняя величину входного напряжения, исследовать изменение формы выходного напряжения. Зарисовать на бланке (рис. 2 бланка) форму сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа в линейном режиме работы усилителя (при отсутствии искажения формы выходного сигнала) и в нелинейном режиме (т.е. когда форма выходного сигнала искажается).
По данным таблицы 1 на рис. 3 бланка построить 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя, определить Δf для М = .
По данным таблицы 2 рассчитать коэффициент усиления первого каскада k1, второго каскада k2 и их произведение k = k1•k2 и сравнить с измеренным коэффициентом усиле ния усилителя k =.
По данным таблицы 3 на рис. 4 бланка построить 2 амплитудные характе ристики усилителя. Выделить на них линейный участок.
На рис. 2 бланка зарисовать осциллограммы выходного сигнала усилителя в линейном и нелинейном режимах работы.
|
|
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Принципиальная схема
ОПЫТ 1
Получение зависимость К=F(f)
Таблица 1
|
при = 1 мВ |
|||||||||||
|
f, Гц |
20 |
2•102 |
1•103 |
2•103 |
5•103 |
1•104 |
2•104 |
5•104 |
1•105 |
2•105 |
|
|
1 |
Ср4 = 20 мкФ |
||||||||||
|
2 |
Ср3 = 0,01мкФ |
ОПЫТ 2
Измерение выходного напряжения первого (Гн3, Гн4) и второго (Гн5, Гн6) каскадов
Таблица 2
|
f=5кГц |
Uвх1, мВ |
Uвых1, (Т1), мВ |
Uвых2, (Т2) мВ |
Рассчитать |
|||
|
1 |
Таблица 3
|
f=5кГц |
Uвх1, мВ |
1 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
Uвых, В (х.х) |
||||||||
|
Uвых, В (Rн) |
Осциллограммы
Рис. 2
Амплитудно-частотная характеристика (по данным Таблицы 1)
Амплитудная характеристика (по данным Таблицы 3)
Рис. 4
|
Выводы по работе: |
|
Цель работы: ознакомление с характеристиками операционного усилителя и применение его в качестве масштабного усилителя, избирательного усилителя и генератора.
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления (KU = 104...106) и входного сопротивления (Rвх = 104...109 Ом), имеющий непосредственные связями, применяемый в основном в качестве ак тивного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффици енте усиления операционного усилителя по напряжению передаточная характе ристика устройства вместе с цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя.
В настоящее время ОУ являются основой аналоговой техники и используются для преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот: от 0 до 105...107 Гц.
Современные ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, несколько каскадов усиления напряжения, причём входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме, а выходной – по схеме эмиттерного повторителя. Кроме того, схема содержит цепи согласования каскадов между собой и цепи защиты от перегрузок.
ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий и один выход.
В данной работе исследуются ОУ на микросхеме К284УД1, цоколёвка и условное графическое изображение которой показаны на рис. 1.
Назначение выводов К284УД1:
1 – неинвертирующий вход; 13 – инвертирующий вход, 8 – выход; 10, 7 – «+» и «-» напряжения питания; 3, 11 – балансировка; 5 – частотная коррекция;, 15, 12 – «общий»; 2, 4, 14 – внешнее управление.
Основные электрические параметры микросхемы К284УД1:
|
KU |
при f = 1000 Гц > 20000; |
|
Rвх |
при f = 1000 Гц > 5 МОм; |
|
Rвых |
при f = 1000 Гц < 200 Ом; |
На основе ОУ могут быть реализованы устройства, выполняющие самые различные операции, например, инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель, избирательный усилитель, интегратор, дифференциатор, компаратор, генераторы импульсов различных форм и гармонических колебаний и многое другое. Выполнение ОУ указанных аналоговых операций осуществляется благодаря использованию различных внешних обратных связей (ОС), как положительных (ПОС), так и отрицательных (ООС).
В настоящей работе исследуются три схемы включения ОУ: инвертирующий усилитель, избирательный усилитель и автогенератор колебаний гармонической формы.
На рис. 2 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя. Резисторы R1 и R2 передают часть выходного напряжения усилителя на его инвертирующий вход, образуя цепь отрицательной ОС по напряжению. Наличие цепи ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления, но стабильность работы возрастает. Коэффициент усиления данного усилителя определяется по формуле KU = -R2/R1. Знак «-» говорит об инвертировании сигнала, KU не зависит от свойств ОУ и частоты сигнала, поэтому такой усилитель часто называют «масштабным».
Для создания на основе ОУ избирательного усилителя необходимо охватить его частотно-избирательной цепью ООС, коэффициент передачи которой β = Uос/Uвых в узкой полосе частот снижается практически до нуля.
Широкое применение в таких усилителях низкой и средней частоты нашёл двойной Т-образный мост, схема и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого показаны на рис. 3.
На очень низких частотах (f → 0), коэффициент передачи моста β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся очень большими и всё напряжение почти без потерь передаётся через «верхний» одинарный мост R-2C-R. На сравнительно высоких частотах сопротивления конденсаторов малы и всё напряжение передаётся через «нижний» одинарный мост C-R/2-C на выход, следовательно, и в этой области частот β → 1. На квазирезонансной частоте f0 = коэффициент передачи моста β → 0.
Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи ООС и его АЧХ приведены на рис. 4.
В данной схеме независящая от частоты цепь ООС R1-R2 определяет величину KUmax и стабилизирует работу усилителя. Цепь ООС с двойным Т-образным мостом обеспечивает избирательные свойства усилителя. При условии R1 « R обе цепи ОС практически независимы.
Если частота входного сигнала близка к f0, то цепь ООС с двойным Т-образным мостом оказывается практически разорванной (β = 0), в схеме действует только ООС, созданная резисторами R1-R2, и коэффициент усиления достигает своего максимального значения KUmax = -R2/R1. На всех других частотах β цепи с мостом стремится к 1, поэтому в схеме действует глубокая ООС, что приводит к резкому уменьшению коэффициента усиления усилителя.
Для создания генератора на основе ОУ необходимо существование положительной ОС (ПОС). В схеме генератора, приведён ной на рис. 5, ПОС создаётся резисторами R3, R4.Поскольку данный автогенератор со держит частотно-избирательную цепь – двойной Т-образный мост, то условия са мовозбуждения: баланс амплитуд kβ ≥ 1 и баланс фаз φус + φос = 0 (φус и φос – сдвиг фаз в усилителе и в цепи ОС соответст венно) – будут выполняться только на од ной – квазирезонансной – частоте f0.
Следовательно, возникающие колебания будут гармоническими.
Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде, на передней панели которого изображена исследуемая схема (рис. 6).
Исследуемая схема включает в себя операционный усилитель (ОУ) типа К284УД1, двойной Т-образный мост, выполненный на элементах R и С, а также резисторы R1 и R2 цепи ООС ОУ и резисторы R3 и R4 цепи ПОС ОУ. Переклю
чения в различные режимы работы ОУ осуществляется переключателями В1, В2, В3, В4 и переменным резистором R4, помещённым на лицевую панель лабораторного стенда.
В лабораторной работе используются следующие контрольно-измеритель
ные приборы: генератор напряжения низкой частоты ГЗ-109 с аттенюатором 40 дБ и нагрузкой 50 Ом, двухлучевой осциллограф С1-93, вольтметр переменного тока В3-41.
Структурная схема установки представлена на рис. 7.
Напряжение на исследуемую схему лабораторного стенда подаётся с генератора ГЗ-109 через аттенюатор 40 дБ, ослабляющий его выходное напряжение в 100 раз, и согласующую нагрузку 50 Ом. Величина выходного напряжения генератора определяется по его вольтметру.
Выходное напряжение исследуемой схемы лабораторного стенда измеряется вольтметром В3-41. Кроме того, частота, форма и величина измеряемых напряжений определяется с помощью осциллографа С1-93.
1. Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.
2. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего масштабного усилителя.
2.1. Отключить от ОУ двойной Т-образный мост, поставив переключатели В1 и В2 в положение «1», подключить к ОУ цепь ООС, поставив переключатель В4 в положение «150к» и соединить неинвертирующий вход ОУ с общим проводом, поставив переключатель В3 в положение «2».
Соединить выход «1» генератора Г3-109 через аттенюатор 40 дБ и нагрузку 50 Ом со входом исследуемого усилителя (гнёзда Гн 15, Гн 18 – общ.). К выходу исследуемого усилителя (гнёзда Гн 16, Гн 17, Гн 19 – общ., Гн 20 – общ.) подключить вольтметр переменного тока В3-41 и вход первого канала осциллографа С1-93.
После проверки схемы преподавателем включить питание лабораторного стенда и приборов соответствующими тумблерами «сеть».
2.2. Снять амплитудные характеристики масштабного усилителя Uвых = f(Uвх) в режиме холостого хода при двух значениях сопротивления R2 в цепи ООС ОУ: 150 кОм и 75 кОм.
Опыт проводить при частоте входного сигнала равной 1 кГц и изменении напряжения на входе усилителя от 10 до 100 мВ. Результаты записать в таблицу 1 бланка.
2.3. Снять амплитудно-частотную характеристику инвертирующего масштабного усилителя КU = f(f) при R2 = 150 кОм в диапазоне частот входного сигнала от 200 Гц до 15 кГц. Величину входного сигнала поддерживать равной 10 мВ. Убедиться, что Uвых ОУ, а, следовательно, и его коэффициент усиления КU не зависит от частоты входного сигнала. Записать вывод в таблицу 2 бланка и выключить лабораторный стенд тумблером «сеть».
3. Исследовать двойной Т-образный мост.
Установить переключатель В2 в положение «2», подключить вход моста (Гн 15, Гн 19 – общ.) к выходу генератора, выход моста (гнёзда Гн 14, Гн 18 – общ.) – к вольтметру переменного тока. Установить Uвх = 100 мВ и, плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по минимуму Uвых определить резонансную частоту fрез1 исследуемого двойного Т-образного моста.
Последовательно устанавливая значения частот сигнала:
fрез1 - 800 Гц; fрез1 - 300 Гц; fрез1 - 100 Гц; fрез1; fрез1 + 100 Гц; fрез1 + 300 Гц; fрез1 + 800 Гц;
снять амплитудно-частотную характеристику исследуемого моста.
Результаты записать в первую строку таблицы 3 бланка.
4. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего избирательного усилителя.
Установить переключатель В1 в положение «2», дополнительно включить в цепь ООС двойной Т-образный мост. Подключить к выходу ОУ вольтметр переменного тока, установить Uвх = 10 мВ и включить лабораторный стенд. Плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по максимуму Uвых ОУ определить резонансную частоту избирательного усилителя fрез2.
Последовательно устанавливая значения частот сигнала:
fрез2 - 800 Гц; fрез2 - 300 Гц; fрез2 - 100 Гц; fрез2; fрез2 + 100 Гц; fрез2 + 300 Гц; fрез2 + 800 Гц;
снять амплитудно-частотную характеристику избирательного усилителя.
Результаты записать во вторую строку таблицы 3 бланка.
5. Исследовать работу ОУ в режиме автогенератора гармонических колебаний (см. рис. 5). (Установить сопротивление обратной связи R2 = 75 кОм).
5.1. Подключить к ОУ цепь положительной обратной связи (ПОС), установив переключатель В3 в положение «1». Потенциометр R4 установить в крайнее правое положение, соответствующее максимальному сопротивлению и, следовательно, минимальной глубине ПОС. Подключить к выходу автогенератора вход первого канала осциллографа, на вход второго канала подать сигнал с генератора Г3-109.
5.2. Плавно уменьшая величину сопротивления потенциометра R4, то есть увеличивая глубину ПОС, получить режим автогенерации, при котором на выходе автогенератора наблюдается напряжение синусоидальной формы.
Изменяя частоту выходного напряжения генератора Г3-109, с помощью осциллографа определить частоту выходного напряжения автогенератора. Зарисовать форму выходного напряжения автогенератора в указанном выше режиме при некотором увеличении глубины ПОС, в результате чего условия самовозбуждения будут выполняться не только на частоте fрез, что приведёт к искажению формы возникающих колебаний.
6. Выключить контрольно-измерительные приборы и лабораторный стенд, отключить приборы от стенда.
Порядок оформления отчёта.
|
|
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Исследование операционного усилителя
Принципиальная схема
Рис. 1
ОПЫТ 1
Исследование масштабного усилителя
f=1кГц Таблица 1
|
Uвх, мВ |
0 |
5 |
10 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
|
Uвых, мВ |
|||||||||
|
Uвых, мВ |
Uвх=10 мВ Таблица 2
|
f, Гц |
2*102 |
||||||
|
Uвых, мВ |
Т-образный мост: fрез 1=__________ Избирательный усилитель fрез 2=__________
ОПЫТ 2
Исследование избирательного усилителя
Uвх1=100 мВ (Т-образный мост), Uвх2=10 мВ (избирательный усилитель) Таблица 3
|
f, Гц |
fрез - 800 |
fрез - 300 |
fрез - 100 |
fрез |
fрез+100 |
fрез+300 |
fрез+800 |
|
Uвых1, мВ |
|||||||
|
Uвых2, мВ |
ОПЫТ 3
Исследование генератора
Частота выходного напряжения автогенератора fген=_______
Осциллограммы выходного напряжения
|
синусоидальные автоколебания |
искажённая форма автоколебаний |
|||
Рис. 2
Амплитудные характеристики
Uвых
|
Рассчитать |
|||||||||
|
R2, кОм |
75 |
150 |
|||||||
|
Ku хх |
|||||||||
0 20 40 60 80 100 Uвх, мВ
Построить частотные характеристики
Uвых
f, Гц
Определить: fрез = fген=
1 Необходимо помнить, что аттенюатор уменьшает напряжение генератора в 100 раз.