М4.1. Измерение коэффициента усиления

На рис. М2 показана функциональная схема установки для измерения коэффициента усиления усилителя A1, содержащая лабораторный генератор PG1 и два вольтметра PV1 и PV2. Для контроля формы кривой входного и выходного напряжений используется осциллограф PS1.

Рис. М2. Функциональная схема, используемая для измерения
коэффициентов усиления, входного и выходного сопротивления усилителя,
а также для снятия его АХ, АЧХ и ПХ

Измерению подлежат коэффициенты усиления по напряжению K=U₂/U₁, по ЭДC K_E = U₂/E₁. По току K_I = I₂/I₁ и по мощности K_р = P₂/P₁.рассчитываем

K_I = K·R_вх/R_2H,

K_р = K·K_I = K^{2 *} R_вх/ R_2H, (М1)

где R_1Г – внутреннее сопротивление источника сигнала, равное сопротивлению резистора R₁, а R_вх = U₁/I₁ – входное сопротивление усилителя, методика измерения которого изложена ниже.

Перед непосредственным измерением следует проверить соединения схемы (рис. М2), установить переключатель (тумблер) S1 в положение 1, включить питание приборов и лабораторного макета. Плавно увеличивая входное напряжение U₁ средней частоты (f₀ = 1 кГц), наблюдать форму выходного сигнала. При появлении сколько-нибудь заметных искажений синусоидального сигнала (притупление-ограничение вершины или впадины) зафиксировать полученные предельные значения Е_1mах, U_2mах и, переведя переключатель S1 в положение 2, определить U_1max,

В целях снижения погрешности измерений при измерении коэффициентов усиления K, K_E и снятии характеристик: амплитудной (АХ), амплитудно-частотной (АЧХ) и переходной (ПХ) – напряжения входного сигнала Е₁ и U₁ устанавливаются с таким расчетом, чтобы выходное напряжение не превышало 0,5U_2mах с удобным округленным значением, например U₂ = 1 В.

Измерение коэффициента усиления ОУ без ОС заслуживает дополнительного пояснения. В связи с тем что K_ОУ достигает нескольких порядков, в номинальном режиме напряжение на его входе составляет доли мВ, что соизмеримо с уровнем шумов в исследуемом макете.

Сначала подготавливаем проведение эксперимента. При выключенном генераторе сигнала в режиме УПТ ручку уровня сигнала на генераторе устанавливаем в положение 30 дБ, ручку плавной регулировки уровня до упора влево. На входном вольтметре установлена шкала 1 мВ, на выходном – 1 В. При развертке 5–10 mS на экране осциллографа видим шумы и наводки от сети переменного тока.

Приступаем к измерениям. Включаем генератор, подаем на вход усилителя сигнал с частотой 30–40 Гц. Плавно, аккуратно увеличиваем уровень сигнала. Некоторое время стрелка входного вольтметра не двигается. Это говорит о том, что уровень сигнала меньше уровня шумов. На выходе ОУ осциллограф покажет гармонический сигнал раньше, чем на входе. Увеличиваем сигнал на входе ОУ до тех пор, пока выходной сигнал U₂ не достигнет величины 1 В. В этой позиции следует зафиксировать величину входного сигнала U₁. Изменяя в какую-либо сторону подаваемый от генератора сигнал, получаем новые значения напряжений U₁′ и U₂′. Отношение приращений ∆U₂/∆U₁ дает искомый ответ K_ОУ.

М4.2. Измерение входного сопротивления усилителя

Для измерения R_вх на частоте f₀ независимо от вида усилителя используется косвенный метод, обладающий достаточной точностью, с помощью схемы на рис. М.2, из которой следует, что R_вх = U₁/I₁. Учитывая, что
I₁ = (E–U₁)/R₁, получим

R_вх = U₁R₁/(E–U₁), (М2)

М4.3. Измерение выходного сопротивления усилителя

Метод измерения R_выx основан на том, что эквивалентная схема усилителя в форме четырехполюсника содержит зависимый источник ЭДС, равной Е₂, с внутренним (выходным) сопротивлением R_выx, которые остаются на частоте f₀ неизменными при E₁ = const (или U₁ = const). Само измерение ведется по схеме рис. М.2, в которой предусмотрено изменение сопротивления нагрузки R_2H с помощью переключателя S2.

В положении 1 измеряется выходное напряжение

U_2,1 = R_2н1Е₂/(R_выx + + R_2н1),

в положении 2 измеряется выходное напряжение

U_2,2= R_2н2E₂/(R_выx+R_2н2)

при неизменном Е₁ (или U₁). Из этих уравнений получаем

R_выx = R_2н1R_2н2 (U_2,2–U_2,1)/(U_2,1R_2н2–U_2,2R_2н1). (М3)

Естественно, что в настоящем исследовании необходимо вести наблюдение формы выходного сигнала и не допускать его заметного искажения.