Исследование операционного усилителя

Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ).

Основные сведения.Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отме-

чен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

Рис. 6.1

Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е₁ и Е₂, причем Е₁ = – E₂.

Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме R_вых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю.

Основные параметры и характеристики ОУ:

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала (U_вых) от амплитуды входного сигнала.

Рис. 6.2

В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях U_вх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на инвертирующий вход (U_вx = ); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (U_вx = );. участок –U_{вx. max} < U_вx < U_{вx max} соответствует линейному усилению, при |U_вx| > U_{вx max} возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е, а U_{вx .max} = E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).

Рис. 6.3

Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (f_{в. гр}), соответствующей усилению 0,7К_max, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (f_умм), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (f_ЕУ) – такую частоту, при которой К_U = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = f_ЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.

5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже R_вx = 10⁹ Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.

6. Скорость нарастания большого сигнала– параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в про-цессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τ_фр, для скорости и нарастания сигнала запишем u ¹ 2Е/τ_фр. Значение u тесно связано с частотными свойствами ОУ: это оче-видно, так как длительность фронтов τ_фр ~ 1/f_{в. гр}, где f_{в. гр} – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с f_{в. гр} одну и ту же физическую природу).

7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (t_н) и время установления (t_у). Очевидно, что τ_фр = t_н + t_у. Если фронт – апериодический, то t_у = 0 и τ_фр = t_н. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитно-му самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность само-возбуждения выше, чем при апериодическом. Значение периода затухающих колебаний на вершине импульса с квазигармоническим фронтом позволяет оценить, на какой частоте имеет место угроза паразитного самовозбуждения.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напря-жения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряже-ния, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель ма-кета приведена на рис. 6.4.

С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R1 = 100 Ом, R2 = 10 кОм, R12 = 100 кОм, R13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R14 – R17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R8 – R10, а также цепочка R11 – С4позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя.

Порядок выполнения работы:

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

2. Измерить напряжение смещения (U_см):

а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R1, неин-вертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока;

б) снять показание вольтметра (U_вых ОУ);

в) рассчитать напряжение смещения по формуле U_см = – U_вых(R1/ R12).

3. Исследовать передаточные характеристики ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник по-стоянного напряжения через резистор R2, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R14, а также вольтметр постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R8;

б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать потенциометр R8 до тех пор, пока U_см не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В;

в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В.

г) повторить измерение п. 3в, заменив нагрузку R14 на R15 (R15 < R14).

4. Исследовать АЧХ ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R2 генератор гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф;

б) поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя U_вых) до тех пор, пока U_вых не снизится до уровня входного сигнала, т. е. до 20 мВ. Частота, при которой U_вых оказывается равным U_вх, называется частотой единичного усиления;

в) заменить в обратной связи R12 на большее сопротивление R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе частоту 1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ;

г) увеличивая частоту сигнала, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является верхней границей полосы усиления максимальной мощности.

5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала.

Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τ_фр, рассчитать u.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения f_ЕУ, f_УММ, τ_фр, u).

3. Выводы.

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 лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меанд-ра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Схема макета приведена на рис. 7.7. В разделе «Порядок выполнения работы» использованы номера резисторов и конденсаторов, указанные на ней.

Порядок выполнения работы:

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

2. Проверить усилитель на склонность к возбуждению.

а) соединить оба входа ОУ с землей: инвертирующий – через сопротивление R1, неинвертирующий – через R5 на лицевой панели макета. Охватить усилитель обратной связью – сопротивлением R6. К выходу ОУ подключить осциллограф;

б) изменяя значение R6, определить зоны устойчивой и неустойчивой работы усилителя по изображению на экране осциллографа (при устойчивой работе на экране наблюдается прямая горизонтальная линия, возможно с наложением на нее небольших шумов внешнего происхождения; при неустойчивой – широкая полоса). Зафиксировать значения R6, соответствующие обеим зонам.

3. Измерить АЧХ усилителя:

а) гармонический сигнал от генератора подать через R1 на инвертирующий вход, неинвертирующий оставить заземленным через R5. К выходу ОУ параллельно осциллографу подключить вольтметр;

б) установить уровень гармонического сигнала на входе усилителя 10 мВ

и, поддерживая ее постоянной, изменять частоту в пределах от 20 кГц до 2 МГц, измеряя при этом значение выходного сигнала с помощью вольтметра. Опыт проделать для значений R6, соответствующих устойчивой работе усилителя.

4. Исследовать форму импульсов на выходе усилителя при разных значениях сопротивления в обратной связи:

а) переключить генератор в режим формирования меандра амплитудой 10 мВ и частотой следования 20 кГц, сохранив на лицевой панели макета все перемычки, установленные при выполнении п. 3;

б) зарисовать (сфотографировать) осциллограммы импульсов при тех же значениях потенциометра R6, что и в п. 2 и 3, измерить длительности их фронтов (τ_фр). Рассчитать скорость нарастания сигнала по формуле u ≈ 2Е/τ_фр.

5. Подключить к ранее собранной схеме однополюсную коррекцию ОУ (функцию корректирующей емкости выполняет в макете конденсатор С5). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения однополюсной коррекции.

6. Заменить однополюсную коррекцию двухполюсной (функцию цепи двухполюсной коррекции выполняют в макете конденсаторы С6, С7 и R7). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения двухполюсной коррекции.

7. Заменить двухполюсную коррекцию схемой коррекции с помощью параллельного канала (функцию цепи коррекции выполняют в макете конденсаторы С2 и С3). Повторить п. п. 2–4.

8. Исследовать схему коррекции с фазовым запаздыванием. При выполнении п. 8 подключить генератор к неинвертирующему входу ОУ через резистор R3, а инвертирующий вход ОУ заземлить через R2. Сохранить подключение R6 между инвертирующим входом и выходом ОУ. Функцию цепи коррекции выполняют последовательно соединенные С1 и R4, ее следует подсоединить между входами ОУ. Повторить п. п. 2–4 для случая подключения коррекции с фазовым опережением.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Значения сопротивления R6, соответствующие зонам устойчивой и неустойчивой работы ОУ (согласно п. п. 2, 5–8)

3. Графики АЧХ (согласно п. п. 3, 5–8)

4. Зарисовки (или фотографии) импульсов, значения длительностей их фронтов и скоростей нарастания (согласно п. п. 4, 5–8)

5. Выводы.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРОВ

Целью работы является практическое ознакомление с генераторами гармонических колебаний низкой частоты на основе RC-генераторов.

Основные сведения. Под генератором, или автоколебательным устройством, подразумевается первичный источник колебаний, работающий в режиме самовозбуждения. Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания (обычно в виде постоянного тока) в энергию колебаний. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

Кγ ≥1; (8.1)

Δφ_К + Δφ_γ = n × 360°, n = 0, 1, 2,… (8.2)

где К, γ – коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ_К , Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

Выражение (8.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (8.2) показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. сдвиг фаз в генераторе должен быть равен n × 360°. Чтобы автоколебания были гармоническими, необ-ходимо, чтобы баланс амплитуд и баланс фаз быстро нарушались по обе стороны от частоты генерации. Для этого цепь обратной связи выполняют избирательной с помощью RС-цепочек. Квазирезонанс наступает на частоте

f₀ = 1/ (2πRC) (8.3)

Рассмотрим схемы генераторов с различными RC-цепочками в цепи обратной связи. Схема RC-генератора с мостом Вина приведена на рис. 8.1.

Так как в схеме моста Вина на частоте f₀ сдвиг фаз равен 0, а коэф-фициент передачи γ = 1/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, получим автогенератор.

Коэффициент усиления отрицательной обратной связи схемы регулируется с помощью сопротивления R₃в цепи отрицательной обратной связи.

Схема RC-генератора с двойным Т-образным мостом приведена на рис. 8.2. Так как мост является режекторным фильтром, то он включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. В результате этого усилитель на всех частотах, кроме частоты f₀, охвачен сильной отри-цательной обратной связью. Кроме того, усилитель охвачен неглубокой положительной обратной связью, выполненной на сопротивлениях R₄ и R₅. На всех частотах, кроме f₀,отрицательная обратная связь влияет сильнее, чем положительная, поэтому генерация имеет место лишь на частоте f₀.

Схема генератора, в котором используется трехзвенная RC-цепочка, приведена на рис. 8.3. Такая цепочка включается в цепь отрицательной обратной связи. С помощью сопротивлений R₁ – R₃ устанавливается сдвиг фаз φ₀, который на некоторой частоте f₀ будет равен 180°.

В этом случае будет выполняться условие баланса фаз, и при некотором коэффициенте усиления операционного усилителя, регулируемом сопротивлением R₄, будет компенсироваться затухание в цепи обратной связи и в схеме возникнут автоколебания. Изменение значения одного из элементов RC-цепочек приводит к изменению сдвига фаз и, соответственно, смещает частоту генерации.

Схема с двойным Т-образным мостом обеспечивает наибольшую стабильность частоты генерации.

Для всех рассмотренных типов RC-генераторов весьма актуальным яв-ляется сохранение хорошей формы гармонических колебаний при перестройке частоты, изменении внешних условий, напряжения питания, значения нагрузки. Режимы насыщения и отсечки у транзисторов наступают резко, что приводит к нелинейным искажениям сигнала.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят макет, осциллограф, генератор гармонических сигналов, вольтметр переменного напряжения и цифровой частотомер и измеритель нелинейных искажений.

Порядок выполнения работы:

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

2. Исследование RС-генератора с мостом Вина (см. рис. 8.1):

а) рассчитать по формуле (8.3) частоту колебаний генератора (f₀) для схемы, элементы которой имеют параметры, указанные преподавателем;

б) снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина в диа-пазоне частот (0,5…1,5)f₀. Для этого подать с генератора низкой частоты на вход моста Вина гармонический сигнал амплитудой 1…2 В, амплитуду выходного сигнала измерять с помощью милливольтметра. На частоте квазирезонанса f₀ измерить коэффициент передачи цепи;

в) снять фазочастотную характеристику моста Вина в диапазоне частот (0,8…1,2) f₀. Измерения произвести с помощью осциллографа;

г) собрать схему генератора с мостом Вина в цепи обратной связи и с помощью потенциометра R₃ добиться возникновения колебаний. Цифровым частотомером измерить частоту колебаний f₀;

д) меняя регулировочным сопротивлением значение отрицательной обратной связи (а значит, и коэффициент усиления К), определить минимальный коэффициент усиления, при котором возможно возникновение генерации. Для этого необходимо добиться возникновения в схеме генерации и с помощью милливольтметра измерить исходное напряжение генерации (U_ген). Затем разомкнуть цепь обратной связи, отключив мост Вина от усилителя, подать на неинвертирующий вход ОУ напряжение с генератора гармонических сигналов с частотой f = f₀ и такой амплитудой U_вх, при которой выходное напряжение усилителя будет равно U_ген. Коэффициент усиления определяется по формуле

К = U_вых / U_вх.

3. Исследование RC-генератора с двойным Т-образным мостом (см. рис. 8.2) в соответствии с методикой, изложенной в п. 2, а–е.

4. Исследование RC-генератора с трехзвенной RC-цепью:

а) собрать схему генератора с трехзвенной RC-цепью (см. рис. 8.3). Изменяя параметры звена обратной связи (сопротивления R₁ – R₃), а также коэффициент усиления усилителя (сопротивление R₄), добиться возникно-вения генерации. Наличие генерации определить по показаниям милливольтметра или осциллографа, подключенного к выходу макета;

б) измерить частоту колебаний автогенератора;

в) произвести исследования по методике, изложенной в п. 2, а–е.

Содержание отчета:

1. Схемы исследуемых генераторов и схемы соединения приборов.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4.

3. Выводы.

Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ

Целью работы является изучение схем аналоговых электронных ключей, построенных на различных полупроводниковых приборах.

Основные сведения.Аналоговый электронный ключ – это устройство, предназначенное для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку. В аналоговых ключах полупроводниковые приборы работают в ключевых режимах. При этом ключ имеет два устойчивых состояния: открытое и закрытое.

При одном из состояний ключа напряжение в нагрузке минимально (в идеальном случае равно нулю), при другом – максимально (в идеале равно напряжению источника сигнала). Режим работы ключа задаётся внешним управляющим сигналом, в качестве которого в данной лабораторной работе используется меандр – последовательность прямоугольных видеоимпульсов со скважностью 2. Схемы аналоговых ключей делят на два основных класса в

зависимости от включения по отношению к нагрузке: параллельные (рис. 9.1) и последовательные (рис. 9.2).

Основными параметрами ключа являются:

– коэффициент коммутации, различным образом определяемый для разных типов ключей: К_к = U_{вых. откр} /U_{вых. закр} – для последовательного ключа; К_к = U_{вых. закр}/U_{вых. откр} – для параллельного, где U_{вых. откр} и U_{вых. закр} – соответственно, напряжения на выходе открытого и закрытого ключей. Очевидно, что ключ тем эффективнее, чем больше коэффициент коммутации. У идеального ключа К_к стремится к бесконечности;

– коэффициент передачи ключа, определяемый как К_п = U_{вых. откр}/ /U_вх для последовательного ключа и К_п = U_{вых. закр}/U_вх – для параллельного, где U_вх– напряжение на входе ключа. Так как ключ в режиме пропускания от источника в нагрузку не должен вызывать ослабление сигнала, но и вместе с тем не предназначен для его усиления, то в идеальном ключе К_п = 1;

– амплитудно-частотная характеристика ключа – зависимость коэф-фициента передачи от частоты сигнала;

– пороговое напряжение – такое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется;

– входные сопротивления по сигнальному и управляющему входам;

– чувствительность – разность амплитуд управляющих импульсов, при которых обеспечивается К_к = 10 и К_к= 1,1;

– быстродействие ключа, которое характеризуется временем его переключения из одного состояния в другое (от уровня 0,1U_выхmax до уровня 0,9U_{вых max}).

В лабораторной работе рассматриваются четыре различные схемы ключей. На рис. 9.3 приведена схема последовательного аналогового ключа на диодах. При отсутствии сигнала на управляющем входе транзистор VТ₂ закрыт. Положительное коллекторное напряжение закрывает диоды VD₁ и VD₂. При подаче на управляющий вход положительного напряжения транзистор VТ₂ открывается и на его коллекторе появляется отрицательное напряжение, открывающее диоды. Входной сигнал проходит на выход. Диодный ключ работает в широком диапазоне частот. Нижняя граничная частота данного ключа зависит от значений разделительных емкостей.

На рис. 9.4 приведена схема параллельного ключа на биполярном транзисторе. При отсутствии управляющего напряжения транзистор закрыт, и входной сигнал беспрепятственно проходит на выход, так как сопротивление закрытого транзистора велико и он не шунтирует нагрузку. При подаче положительного напряжения на управляющий вход транзистор открывается и переходит в режим насыщения: его сопротивление становится очень малым и он шунтирует нагрузку; при этом практически весь входной сигнал будет падать на сопротивлении R₁.

Двойной параллельный электронный ключ на полевых транзисторах изображён на рис. 9.5. Принцип действия его аналогичен принципу действия ключа на биполярном транзисторе. Схема отличается большим значением коэффициента коммутации. Емкости С₁ и С₂ предназначены для уменьшения выбросов управляющего напряжения при открывании ключа. Достоинствами схемы являются ее очень большое входное сопротивление (порядка единиц мегаом), а также возможность коммутировать сигналы очень низкого уровня (единицы микровольт).

На рис. 9.6 приведена схема аналогового ключа на оптронах – полупроводниковых приборах, содержащих в одном корпусе светодиод и фотодиод, оптически связанные между собой. Данная схема является комбинированной (последовательно-параллельной). При подаче на управляющий вход положительного напряжения в оптроне VD₁ зажигается светодиод, фотодиод открывается и входной сигнал проходит на выход. В оптроне VD₂ светодиод остается закрытым, темновое сопротивление фотодиода велико и не влияет на значение выходного напряжения. При подаче на управляющий вход отрицательного напряжения светодиод в оптроне VD₁ остается закрытым, сопротивление фотодиода велико и сигнал в нагрузку не поступает. Одновременно открывается светодиод в оптроне VD₂, сопротивление фотодиода резко уменьшается и шунтирует нагрузку, дополнительно ослабляя входной сигнал. Достоинством ключа на оптронах является отсутствие гальванической связи между управляющим входом и цепью, соединяющей источник сигнала и нагрузку.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов, генератор гармо-нического сигнала, вольтметр переменного напряжения, магазин сопротивлений и двухканальный осциллограф.

Порядок выполнения работы:

1. Исследование ключа на диодах:

а) включить с помощью переключателя схему, изображенную на рис. 9.3. Установить напряжения источников питания +9 и –12 В;

б) подать с генератора гармонических сигналов на входы 1 и 2 исследуемой схемы напряжение амплитудой U_вх = 0,5 В с частотой f= 1 кГц;

в) подать с генератора прямоугольных импульсов на входы 3 и 4 ключа импульсы амплитудой U_упр = 10 В длительностью 5 мс. Зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму напряжений на выходе и на входах 1–2 и 3-4 ключа. Измерить значения U_выхпри двух состояниях к