Методика измерения основных характеристик

ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания

к лабораторным работам

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

УДК 621.396

Электроника: Методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Виноградов, А. А. Погодин. СПб.: Изд-во «ЛЭТИ», 2012. 68 с.

Содержат описания лабораторных работ, предназначенных для закрепления теоретических сведений, полученных при изучении аналоговых схем на операционных усилителях и транзисторах.

Предназначены для подготовки бакалавров по направлениям 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 220400 «Управление в технических системах», изучающих курс «Электроника».

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ

В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» студенты измеряют основные параметры и характеристики электрон-ных цепей (схем). Несмотря на существенные различия в построении и назначении схем, наборы измеряемых параметров для этих цепей отличаются незначительно. В данном разделе приведены методики измерения тех параметров и характеристик, которые необходимо измерять при выполнении нескольких лабораторных работ.

1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость напряжения на выходе (U_выx) схемы от напряжения на ее входе (U_вx). АХ измеряют на одной частоте, поэтому на вход цепи подают гармонический сигнал (частотой f), как правило, лежащей в полосе пропускания (усиления) схемы. Методику измерения АХ поясняет рис. М-1: источником сигнала является генератор (Г); поскольку часто генератор не содержит измерительного прибора, позволяющего точно контролировать уровень напряжения на его выходных клеммах, то к этим клеммам подключают вольтметр В₁.

Рис. М-1

С точки зрения исследуемой схемы выходное напряжение генератора, измеряемое вольтметром В₁, является входным (U_вx). К выходу схемы подключают вольтметр В₂, регистрирующий U_выx, а также электронный осциллограф (ЭО). Назначение осциллографа – демонстрировать форму сигнала на выходе схемы: нарушение линейной зависимости АХ сопровождается появлением нелинейных искажений выходного сигнала, т. е. отклонением его от гармонической формы. В процессе измерений необходимо изменять U_вx при поддержании постоянства f.

2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) K_U = K_U(f), где K_U = = | U_выx/U_вx| – коэффициент передачи схемы по напряжению.Для измере-ния АЧХ применяют ту же схему рис. М-1, которая используется для измерения АХ.

Однако теперь фиксируют U_вx (на уровне, при котором в выходном сигнале отсутствуют нелинейные искажения), а частоту изменяют. В процессе измерений удается зарегистрировать не коэффициент передачи, а лишь U_выx, поэтому в дальнейшем следует обработать полученные данные. При построении графика АЧХ рекомендуется для большей наглядности частоту откладывать по оси абсцисс в логарифмическом масштабе: при этом любому десятикратному увеличению f соответствует отрезок фиксированной длины. Например, расстояние между отметками 10 и 100 Гц на оси выбрано равным одному сантиметру; между отметками 100 Гц и 1 кГц следует также отложить 1 см, между 1 и 10 кГц такой же отрезок и так далее.

3. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) Df = Df(f), где Df – сдвиг фаз, который приобретает гармонический сигнал при прохождении через схему. Наиболее распространенный метод измерения ФЧХ – с использованием осциллографа, на экране которого получают фигуру Лиссажу. Методику измерений поясняет рис. М-2.

Рис. М-2

Сигнал с выхода схемы как правило подают на вход Υ осциллографа, а входной – на вход Х. Поскольку сигналы имеют различные амплитуды, то надо обеспечить равенство их графических изображений («вписать фигуру Лиссажу в квадрат»). Регулировать размер изображения сигнала можно только по входу Υ. После получения на экране фигуры, имеющей в общем виде форму эллипса, необходимо измерить ее размеры и рассчитать сдвиг фаз по формуле, приведенной на рис. М-3. Поскольку амплитуда выходного сигнала может меняться в зависимости от частоты, необходимо при переходе от одного значения f к другому заново обеспечивать равенство горизонтального и вертикального размеров фигуры Лиссажу – в противном случае при измерении фазы будет иметь место ошибка.

4. Входное сопротивление (R_вx) схемы – отношение входного напряжения к входному току. Методику измерений поясняет рис. М-4.

Между генератором и входом исследуемой схемы включают магазин сопротивлений (МС). Применяемые в учебной лаборатории МС обеспечивают удовлетворительную точность измерений при

частотах сигнала не более 3 кГц. Первона- Рис. М-4

чально устанавливают нулевое сопротивление магазина (R_м) и при этом фиксируют напряжение на вольтметре (оно равно напряжению на выходе генератора). Затем сопротивление магазина плавно увеличивают до тех пор, пока напряжение не снизится вдвое. Это означает, что магазин и входное сопротивление образовали делитель из двух равных сопротивлений, т. е. входное сопротивление схемы равно сопротивлению магазина.

5. Выходное сопротивление схемы (R_выx) – отношение выходного напряжения к выходному току. Методику измерений поясняет рис. М-5.

Рис. М-5

В начале измерений устанавливают максимально возможное сопротивление магазина, при этом магазин и вольтметр В₂ соединяют параллельно и фиксируют показания вольтметра. Постепенно уменьшая сопротивление магазина, добиваются снижения напряжения, регистрируемого вольтметром, вдвое: при этом R_м равно R_выx исследуемой схемы.

Внимание! Подключение магазина с малым сопротивлением может привести к выходу из строя как макета, так и магазина сопротивлений.

Лабораторная работа № 1

И ИНТЕГРИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

Целью работы является практическое ознакомление с пассивными и активными дифференцирующими и интегрирующими цепями – как со схемами, преобразующими форму импульсных сигналов, так и как с фильтрами.

Основные положения. Схема пассивной дифференцирующей цепи (ДЦ) приведена на рис. 1.1. Если на вход ДЦ подать видеоимпульс прямоугольной формы, например, положительной полярности (амплитудой U₀ и длительностью τ_и), то конденсатор будет заряжаться, заряд тока пойдет через резистор R, создавая на нем падение напряжения U_R. Поскольку R включено параллельно выходным зажимам, то падение напряжения U_R является одновременно выходным сигналом ДЦ (U_выx). Напряжение U_C возрастает по экспоненциальному закону, при этом принято считать, что заряд завершается за время, равное 3τ, где τ = RC – постоянная времени цепи. В первый момент значение выходного сигнала равно U₀, так как конденсатор еще не успевает зарядиться и все напряжение приложено к сопротивлению.

После окончания входного импульса (начиная с момента τ_и) конденсатор разряжается. Ток разряда (большой вначале) постепенно убывает. Поскольку разрядный ток течет в противоположном направлении (по сравнению с зарядным), то он создает на R, а значит на выходе схемы, так называемый обратный выброс – импульс полярности, противоположной знаку входного сигнала. Обратный выброс представляет опасность для некоторых видов нагрузки, и тогда его устраняют с помощью диодного ограничителя.

Процессы в ДЦ иллюстрируют диаграммы напряжений (рис. 1.2).

Возможны два варианта:

1) конденсатор успевает полностью зарядиться до окончания входного импульса, т. е. 3τ < τ_и; в этом случае выходной сигнал представляет собой пару коротких импульсов, сдвинутых друг относительно друга, имеющих одинаковые амплитуды и противоположную полярность (рис. 1.2, а);

2) конденсатор не успевает полностью зарядиться (3τ > τ_и), поэтому разряд начинается не с −U₀, а с уровня −U_Cm, инверсного достигнутому при заряде; обратный выброс имеет амплитуду −U_Cm меньшую, чем входной сигнал (рис. 1.2, б).

а б

Рис. 1.2

Из этих вариантов процедуре дифференцирования соответствует только первый, так как в этом случае преобразование формы сигнала цепью похоже на математический результат получения производной. Степень соответствия выходного сигнала ДЦ идеальному дифференцированию оценивают с помощью параметра, называемого ошибкой (погрешностью, %) дифференцирования: ε_д = (3τ /τ_и) ∙100.

Пассивная ДЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции, отличные от преобразования формы сигнала. Емкости C соответствуетсопротивление X_C = 1/(2πfC), убывающее с ростом частоты. R и X_C образуютделитель из двух сопротивлений, коэффициент деления которого имеет вид R/(R − jX_C). Коэффициент деления делителя совпадает с коэффициентом передачи схемы К_U..При f = 0 X_C → ∞, поэтому коэффициент передачи дачи делителя равен 0, иначе говоря, сигнал со входа схемы на ее выход не проходит. При f → ∞ X_C = 0, конденсатор пропускает сигнал со входа на выход без потерь и К_U = 1. ДЦ является фильтром высоких частот.

Интегрирование в математическом плане является операцией, обратной дифференцированию. Реализующая функцию интегрирования пассивная цепь (интегрирующая цепь (ИЦ), рис. 1.3) очень похожа на ДЦ, однако элементы R и C в схемах ДЦ и ИЦ переставлены местами. В ИЦ U_выx = U_C. При подаче на вход ИЦ видеоимпульса прямоугольной формы положительной полярности, имеющего амплитуду U₀ и длительность τ_и, конденсатор будет заряжаться, зарядный ток потечет через сопротивление R. После окончания входного импульса (начиная с момента τ_и) конденсатор разряжается. Таким образом, процессы в пассивных ДЦ и ИЦ полностью совпадают. Различие заключается лишь в том, на каком элементе схемы напряжение является выходным. Преобразование импульсов интегрирующей цепью иллюстрируют диаграммы напряжений рис. 1.4 (а – случай τ_и > 3RC; б – τ_и < 3RC).

Для обеспечения высокого качества интегрирования необходимо заряжать конденсатор как можно медленнее, так как только начальный участок экспоненты близок к линейной функции (интегралом от постоянной величины является линейная функция).

Ошибка интегрирования [%] определяется как ε_и = (τ_и/3τ) ∙100. Эта формула является обратной по отношению к выражению для ε_д. К сожалению, улучшение качества интегрирования в пассивной ИЦ сопровождается снижением амплитуды U_выx, и при очень малых ε_и сигнал может быть утрачен.

Пассивная ИЦ при подаче на ее вход гармонического сигнала выполняет функции фильтра низких частот(ФНЧ). Как и в ДЦ, резистор R и X_C образуютделитель из двух сопротивлений, но в ИЦ коэффициент деления равен (−jX_C)/(R − jX_C). При f = 0 X_C → ∞, поэтому коэффициент передачи делителя равен 1, при f → ∞ X_C = 0, конденсатор шунтирует выход схемы и К_U = 0.

Схемы активных дифференцирующей и интегрирующей цепей на базе операционного усилителя приведены, соответственно, на рис. 1.5, а и б. В общем виде передаточная характеристика таких цепей в диапазоне рабочих частот ОУ может быть описана соотношением

K(jf) = −Z_о.с(jf)/Z_вх(jf),

где Z_о.с и Z_вх – комплексные сопротивления цепи обратной связи и входной цепи соответственно. Формула является приближенной, так как не учитывает тот факт, что коэффициент усиления ОУ имеет хотя и огромное, но все же конечное значение.

а	б
Рис. 1.5

В цепи на рис. 1.5, а Z_о.с(jf) = R, а Z_вх(jf) = 1/j2πfС, т. е. K(jf) = j2πfСR, цепь является фильтром высоких частот, а с точки зрения преобразования формы сигнала – дифференцирующей. Аналогично, цепь рис. 1.5, б имеет передаточную характеристику K(jf) = 1/j2πfСR, т.е. является фильтром низких частот, а значит, интегрирующей цепью. Достоинствами активных дифференцирующих и интегрирующих цепей по сравнению с пассивными являются большая точность выполнения соответствующих математических функций, а также возможность одновременно усиливать сигнал и преобразовывать его форму.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Галетный переключатель позволяет поочередно исследовать различные дифференцирующие и интегрирующие цепи; параметры цепей можно изменять с помощью коммутаций элементов R и С на лицевой панели макета.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегрирующие цепи как фильтры:

а) измерить амплитудно-частотные характеристики цепей в диапазоне частот (f)10 Гц…1 МГц. Параметры цепей (значения R и С) устанавливать по указанию преподавателя;

б) определить граничные частоты (f_гр) исследованных цепей, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

3. Исследовать пассивные и активные дифференцирующие и интегри-рующие цепи как преобразователи формы импульсов:

а) для этого подать с генератора на входы различных цепей сигналы в виде меандра с различной длительностью импульсов (τ_и), зарисовать с экрана осциллографа или сфотографировать форму сигналов на выходах цепей;

б) определить ошибки дифференцирования и интегрирования (ε_д и ε_и).

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схемы исследованных дифференцирующих и интегрирующих цепей.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2,3 (графики АЧХ, значения f_гр, форма выходных сигналов с указанием τ_и, значения ε_д и ε_и).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа № 3

Лабораторная работа № 4

УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является исследование широкополосного импульсного усилителя с корректирующими цепями, позволяющими улучшить его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 4.1

Основные положения. При усилении широкополосных сигналов (к ним относятся и импульсные, ширина спектра которых обратно пропорциональна длительности импульса) важной задачей является сохранение соотношений между амплитудами гармоник в спектре, а значит, и формы сигнала в функции времени. В частности, искажения формы прямоугольных видеоимпульсов характеризуют длительностью фронтов импульса (τ_ф) и спадом его вершины (рис. 4.1). Длительность фронта, приобретаемого импульсом при прохождении через усилитель, обратно пропорциональна верхней граничной частоте амплитудно-частотной характеристики усилителя τ_ф = 0,35/f_в.гр. Спад вершины импульса ΔU в процентах от его амплитуды U_m связан с нижней граничной частотой f_н.гр, а также с длительностью импульса на входе усилителя (τ_и) формулой ΔU/ U_m(%) = = 628 τ_и f_н.гр. Очевидно, что во многих случаях необходимо откорректировать имеющуюся АЧХ, понизить f_н.гр и увеличить f_в.гр.

Коррекция (исправление) АЧХ усилителя осуществляется с помощью внесения в его схему дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением R_K – коллекторного сопротивления (рис. 4.2) на два: R_K1 и R_K2. Средняя точка делителя через емкость C_ф соединяется с землей. На низких частотах C_ф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется суммой сопротивлений в цепи коллектора и равен K_U = S(R_к1 + R_к2). На высоких частотах C_ф превращается в короткое замыкание и шунтирует R_к2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен K_U = SR_к1.

C_ф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания и через него – в другие каскады электронного устройства (именно поэтому емкость помечена индексом «ф»).

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с R_к ставят катушку индуктивности L (рис. 4.3).

Такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

K_U = S = S .

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ.

Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.4). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме элемента, габариты которого заметно крупнее остальных, а именно катушки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему (схема некорректированного усилителя изображена на рис. 2.1) дополнительных элементов. При этом существенно уменьшается значение емкости C_э. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует R_э на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая C_э (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует R_э и на низких и средних частотах сигнала, при этом K_U снижается.

Только на высоких частотах C_э закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением K_U усилителя на низких и средних частотах.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 4.5. С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы коррекции. Кроме собственно усилителя на транзисторе VT1 в макет входит также эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT2.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных схем коррекции:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при введении сопротивления R3;

г) повторить измерение при введении эмиттерной высокочастотной коррекции в диапазоне 20 Гц…2 МГц;

д) повторить измерение при введении индуктивной высокочастотной коррекции в диапазоне частот 20 кГц…2 МГц;

е) повторить измерение при введении низкочастотной коррекции в диапазоне частот 20 Гц…20 кГц.

3. Исследование влияния различных схем коррекции на форму прямоугольных импульсов:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) переключить генератор в режим формирования меандра. Установить период следования импульсов от 3 до 5 мс, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

в) ввести низкочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов;

г) установить длительность импульсов, вырабатываемых генератором от 8 до 10 мкс. Собрать схему, в которой коррекция отсутствует, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

д) ввести индуктивную высокочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов.

е) повторить измерение п. 3,д при введении эмиттерной высокочастотной коррекции (ИВЧК при этом устранить).

4. Рассчитать значения τ_ф и ΔU/ U_m (%), исходя из измеренных при выполнении п. 2 нижних и верхних граничных частот.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схемы усилителя при различных видах коррекции.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4 (графики амплитудно- частотной характеристики, значения f_гр, зарисовки формы импульсов, измеренные и расчетные значения длительностей фронтов и спадов вершины импульсов).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 5

В УСИЛИТЕЛЬНЫХ СХЕМАХ

Целью работы является практическое ознакомление с использованием цепей отрицательной обратной связи в электронных схемах.

Основные сведения. Под обратной связью понимают связь, осуществляющую передачу всей или части энергии с выхода на вход электронной цепи.

Цепь, через которую подается энергия обратной связи, называют цепью обратной связи (ЦОС). Напряжение на выходе цепи обратной связи называют напряжением обратной связи (U_о.с). Отношение напряжения обратной связи к выходному напряжению называется коэффициентом обратной связи:

γ = U_о.с/U_вых<1.

Если входное напряжение электронной цепи (U_вx) совпадает по фазе с U_о.с, то такая обратная связь называется положительной. Если же входное напряжение электронной цепи находится в противофазе с напряжением обратной связи, то такая обратная связь называется отрицательной.

Иногда на практике обратная связь в электронных цепях возникает и при отсутствии реальной цепи обратной связи, т. е. непроизвольно. В этом случае в качестве цепи обратной связи выступают междуэлектродные емко-сти в электронных приборах, емкости между проводами и т. д. Такая обратная связь является нежелательной и называется паразитной.

По способу подачи напряжения обратной связи на вход электронной схемы различают параллельную и последовательную обратные связи. Если источники входного сигнала и напряжения обратной связи включены последовательно, то такая обратная связь называется последовательной (рис. 5.1). Если же эти напряжения включены параллельно, то и связь называется параллельной (рис. 5.2).

Рис 5.1 Рис 5.2

При параллельной обратной связи во входную цепь включают резистор, предотвращающий шунтирование выходного сопротивления цепи обратной связи источником входного напряжения.

По способу формирования напряжения обратной связи, т. е. по тому, как ЦОС подключена к выходу электронной схемы, различают обратную связь по току и по напряжению.

Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с зажимов сопротивления нагрузки электронной цепи (R_н), то такая связь осуществляется по напряжению (к этому типу обратных связей относятся схемы рис. 5.1 и 5.2). Если напряжение на вход цепи обратной связи подается с резистора R_о.с, включенного последовательно с нагрузочным сопротивлением, то это напряжение будет пропорционально току нагрузки и связь называется по току (рис. 5.3 и 5.4). При этом обратная связь рис. 5.3 является последовательной, а рис. 5.4 – параллельной.

Из всех электронных цепей наиболее часто обратной связью охватывают усилительные схемы. Если усилитель охватить положительной обратной связью, то его коэффициент усиления увеличится: K_о.с= K/(1–γK ) > K, а для отрицательной обратной связи уменьшится: K_о.с= K/(1+γK ) < K,где K – коэффициент усиленияпри отсутствии ОС, а K_о.с – при ее введении. Положительную ОС поэтому применяют при создании автогенераторов, а отрицательную используют для предотвращения паразитного самовозбуждения усилителей и общего повышения стабильности его параметров.

В лабораторной работе исследованию подлежит только отрицательная обратная связь. Введение обратной связи влияет на параметры усилителей. Так, входное сопротивление усилителя зависит от того, как ЦОС подключена к его входу: при последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление увеличивается в (l + γK) раз, при параллельной – уменьшается (для схемы рис. 5.2 R_{вx o.c} = R₁ + R₂/(1+K)).

Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, уменьшается в (1+ γK) раз, а охваченного обратной связью по току – увеличивается в такое же количество раз.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 5.5. С помощью перемычек на макете можно собирать различные цепи обратной связи.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных цепей обратной связи:

а) собрать схему с параллельной обратной связью по напряжению (рис. 5.2);

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…3 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)], а также частоту единичного усиления (f_ЕУ);

в) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по напряжению (рис. 5.1);

г) повторить измерение при введении параллельной обратной связи по току (рис. 5.4);

д) повторить измерение при введении последовательной обратной связи по току (рис. 5.3).

3. Исследовать влияние различных схем обратной связи на входное сопротивление усилителя:

а) собрать схему с параллельной обратной связью. Измерить входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью;

б) повторить измерение при включении параллельной обратной связи по току.

4. Исследовать влияние различных схем обратной связи на выходное сопротивление усилителя:

а) собрать схему с обратной связью по напряжению. Измерить выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью;

б) повторить измерение при включении обратной связи по току (подключение ЦОС ко входу усилителя сохранить таким же, как в п. 4,а).

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схема макета.

3. Графики АЧХ, значения f_гр и f_ЕУ, полученные при обработке результатов измерений, проведенных при выполнении п.2.

4. Значения входных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 3).

5. Значения выходных сопротивлений при разных включениях ЦОС (согласно п. 4).

6. Выводы.

Лабораторная работа № 6

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ КОРРЕКЦИИ

ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения.

Основные сведения.В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопреки ee функциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд Кγ ³ 1 и баланса фаз Δφ_К + Δφ_γ = n × 360°, n = 0, 1, 2, ..., где К и γ – соответственно, коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ_К и Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения Δφ_К. Если допустить, что значения γ и Δφ_γ от частоты не зависят, причем Δφ_γ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где Δφ_К = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты Δφ_К возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ .

Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению.

Рис 7.1

Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя.

Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на частотах, где Δφ_К достигает 360°.

Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь, реактивных) элементов называется коррекцией. Цель коррекции может быть разной. В транзисторных усилителях ею пользуются обычно для поднятия коэффициента усиления, в том числе и на высоких частотах: у этих схем К намного ниже, чем у ОУ, и угроза паразитного самовозбуждения менее существенна. У схем на базе ОУ, напротив, с помощью коррекции, как правило, снижают коэффициент усиления в диапазоне частот, где имеется риск самовозбуждения.

Рис. 7.2.

Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). В данной работе рассматриваются однополюсная и двухполюсная коррекции, коррекция с помощью параллельного канала и коррекция с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно одному из усилительных каскадов ОУ емкости С_K (рис. 7.2). Эта емкость на высоких частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Недостатком коррекции является существенное уменьшение полосы усиления ОУ и, как следствие, снижение скорости нарастания импульсных сигналов.

а	б
Рис. 7.3

Схема двухполюсной коррекции приведена на рис. 7.3, а: она состоит из двух конденсаторов С₁ и С₂ и резистора R₃, причем С₂ ³ 10С₁. Действие схемы различно на разных частотах: при достаточно малых значениях частоты сопротивление С₂ велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С₂ уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается в цепь однополюсной коррекции, причем функцию С_K выполняет эквивалентная емкость С_э = С₁С₂/(С₁ + С₂). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 7.3, б изображены амплитудно-частотные характеристики ОУ без коррекции (1), при использовании однополюсной (2) и двухполюсной (3) коррекций.

Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4), в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ.

Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала.

Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе Δφ_К сдвигом фаз в цепи коррекции, так как Δφ_К и Δφ_кор имеют разные знаки (рис. 7.6, где кривая 1 – график Δφ_К; 2 – график Δφ_кор; 3 – их суммы).

Введение коррекции наряду с решением главной задачи – предотвращением паразитного самовозбуждения схемы на основе ОУ – влечет за собой ухудшение ее частотных свойств. В разной степени, но непременно уменьшаются полоса пропускания усилителя и скорость нарастания выходного напряжения. Многообразие цепей коррекции позволяет разработчикам решать проблему устойчивости схем с учетом требований к другим важным параметрам ОУ.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установ-ки входят лаборатор