Схемотехника аналоговых электронных устройств

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

По курсу

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВХОДНОГО И ВЫХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ УСИЛИТЕЛЯ

I. Цель работы

1. Ознакомиться с особенностями схемотехнического построения микросхемного усилителя типа 122УН1.

2. Изучить методику и провести экспериментальное исследование амплитудной характеристики усилителя и его входного и выходного сопротивлений.

II. Подготовка к работе

1. Используя методические указания, содержащиеся в данном сборнике, ознакомьтесь с микросхемным усилителем 122УН1. Уясните назначение элементов усилителя и их влияние на передачу сигнала.

2. По рекомендуемой литературе и методическим указаниям изучите структурные схемы измерения амплитудной характеристики, входного и выходного сопротивлений усилителя.

Литература

1. Богатырев Е.А., Муро Э.Л. Схемотехника АЭУ: Учебное пособие. - Изд. МЭИ, 2003, глава 2.

2. Конспект лекций.

Лабораторная работа № 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ И ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ

I. Цель работы

1. Изучить методику и провести экспериментальное исследование амплитудно-частотной (АЧХ) и переходной характеристики (ПХ) усилителя.

2. Установить связь между граничными частотами АЧХ: f_Н и f_В и искажениями импульсного сигнала на выходе усилителя: длительностью фронта t_Ф и величиной спада плоской вершины импульса D.

II. Подготовка к работе

1. Используя методические указания, содержащиеся в данном сборнике, и рекомендуемую литературу, изучите структурные схемы для экспериментального исследования АЧХ и переходной характеристики усилителя.

2. Приведите выражения, связывающие граничные частоты АЧХ с длительностью фронта и величиной спада плоской вершины выходного импульса.

Ш. Экспериментальное исследование

1. Подготовьте макет к измерению амплитудно-частотной и переходной характеристик усилителя 122УН1 при следующих условиях:

а) первый каскад усилителя включен по схеме ОЭ, НЧ коррекция отсутствует, выходной сигнал снимается с коллекторного выхода второго каскада;

б) схема включения первого каскада остается такой же, как в п. 1.а), но выходной сигнал снимается с эмиттерного выхода второго каскада.

2. Установив на входе усилителя напряжение, соответствующее линейному участку амплитудной характеристики (используются результаты лабораторной работы № 1), снять АЧХ усилителя для условий, отмеченных в п. 1. Постройте нормированные АЧХ на одном графике, отметив условия эксперимента и значения коэффициентов усиления на «средних» частотах.

3. Измерение значений длительности фронта и спада плоской вершины импульса.

Переключите вход усилителя на внутренний импульсный генератор и измерьте с помощью осциллографа искажения импульсного сигнала на коллекторном и эмиттерном выходах второго каскада.

Проверьте соответствие между длительностью фронта и верхней граничной частотой АЧХ, а также между величиной спада плоской вершины импульса и нижней граничной частотой АЧХ. Сделайте выводы.

Примечание. При проведении экспериментов по пп. 2 и 3 необходимо обеспечить постоянство комплексной нагрузки усилителя. Для этого следует проследить, чтобы к выходным клеммам макета все время были подключены осциллограф и вольтметр.

4. Включить НЧ коррекцию в первом каскаде усилителя. При этом ключ S2 должен находиться в нижнем положении. Выполнить измерения нижней граничной частоты и спада плоской вершины импульса при съеме сигнала с коллекторного и эмиттерного выходов второго каскада. Сделать выводы о характере действия НЧ коррекции.

IV. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте условия, которые необходимо выполнять при измерении АЧХ и параметров выходного импульсного сигнала. Как связаны параметры АЧХ и переходной характеристики усилителя?

2. Как изменится коэффициент передачи усилителя, если от вывода 10 микросхемы отсоединить все конденсаторы? Изменится ли при этом АЧХ и искажения импульсного сигнала на выходе усилителя?

3. Какими элементами схемы и параметрами транзисторов определяются искажения импульса на выходе усилителя?

Литература

1. Богатырев Е.А., Муро Э.Л. Схемотехника АЭУ: Учебное пособие. - Изд. МЭИ, 2003, глава 2.

2. Конспект лекций.

Лабораторная работа № 3

НА ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ

I. Цель работы

1. Изучить различные типы обратных связей и конкретные способы их реализации в усилителе.

2. Провести экспериментальное исследование влияния обратных связей на входное и выходное сопротивления усилителя, на АЧХ и коэффициент усиления напряжения.

II. Подготовка к работе

1. Используя методические указания, содержащиеся в данном сборнике, и рекомендуемую литературу, изучите структурные схемы различных типов обратных связей. Объясните, как влияют различные типы обратных связей на характеристики усилителя.

2. Отметьте на принципиальней схеме усилителя элементы, с помощью которых вводится или исключается тот или иной тип обратной связи.

Литература

1. Богатырев Е.А., Муро Э.Л. Схемотехника АЭУ: Учебное пособие. - Изд. МЭИ, 2003, глава 5, с. 82-95.

2. Конспект лекций.

Рис. 1. Структурная схема лабораторной установки

Установка включает в себя лабораторный макет, внешний источник питания Е, генератор синусоидального напряжения Г, вольтметр переменного напряжения В и осциллограф О.

Электрическая схема макета, нанесенная на его верхнюю панель, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Электрическая схема лабораторного макета.

Электрическая схема включает в себя интегральную микросхему (ИМС) 122УН1 (обведено пунктиром); внешние (навесные) резисторы и конденсаторы; переключатели S1...S9, с помощью которых изменяется схема усилительного устройства, построенного на основе микросхемы 122УН1, и внутренний импульсный генератор, используемый при исследовании импульсного сигнала.

Амплитудная характеристика

Амплитудной характеристикой (АХ) называется зависимость значений выходного напряжения от значений входного напряжения:

U_ВЫХ = KU_ВХ.

Постоянный коэффициент K называется коэффициентом усиления.

Для снятия АХ используется структурная схема, приведенная на рис. 1.

На вход Х1 лабораторного макета подается синусоидальное напряжение от внешнего генератора Г на "рабочей" частоте f_РАБ, находящейся в диапазоне «средних частот», где коэффициент передачи усилителя практически не зависит от частоты. Для данного усилителя рекомендуется устанавливать значение рабочей частоты, равное 50 кГц: f_РАБ = 50 кГц. Значение частоты f_РАБ, на которой снималась АХ, указывают на графике.

При использовании линейного масштаба по осям координат амплитудная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат (штриховая линия на рис. 3).

В реальных устройствах из-за наличия внутренних помех (шумов, фона) с уровнем U_ПОМЕХ выходное напряжение не равно нулю даже в отсутствие входного сигнала. Это приводит к появлению нелинейного участка в начале амплитудной характеристики. С увеличением амплитуды входного сигнала амплитудная характеристика, начиная с некоторого значения, вновь отклоняется от линейного закона. Нелинейность амплитудной характеристики при больших уровнях сигнала обусловлена ограниченностью диапазона изменения токов и напряжений в активных элементах устройства (транзисторах, интегральных микросхемах).

Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя переменного напряжения

Коэффициент усиления K определяется по наклону линейного участка характеристики:

K = U_ВЫХ / U_ВХ.

Зададимся допустимым отклонением реальной амплитудной характеристики от идеальной (например, 10%). Найдем область значений амплитуд входного и выходного напряжений, где отклонение реальной характеристики от линейного закона не превышает допустимого. В пределах этой области амплитудную характеристику можно считать линейной с учетом заданного отклонения.

По значениям амплитуд на границах указанной области определяют динамический диапазон входных и выходных сигналов:

Если амплитудная характеристика линейная, то D_ВХ = D_ВЫХ. Работа устройства в пределах динамического диапазона амплитуд обеспечивает заданный уровень нелинейных искажений.

При использовании нелинейной амплитудной характеристики (например, логарифмической)

При больших значениях D_ВХ и D_ВЫХ их удобно выражать в децибелах (дБ):

D_ВХ[дБ] =20^.lg(U_{ВХ МАКС} / U_{ВХ МИН})

D_ВЫХ [дБ] = 20^.lg(U_{ВЫХ МАКС} / U_{ВЫХ МИН} )

Рис. 4. Нормированная АЧХ широкополосного усилителя

При построении широкополосных АЧХ удобно использовать логарифмический масштаб по оси частот, как это показано на рис. 4.

Параметры нормированной АЧХ

- Граничные частоты: нижняя f_Н и верхняя f_В, на которых нормированное значение коэффициента передачи равно (уровень 0,7).

- Полоса пропускания – диапазон частот от нижней до верхней граничной частоты.

- Коэффициент усиления K₀.

Входное сопротивление

Входное сопротивление усилителя определяется как отношение напряжения, поданного на входные зажимы, к току, протекающему через эти зажимы под действием входного напряжения. Для широкого диапазона частот входное сопротивление усилителя 122УН1А можно представить в виде параллельного соединения активного сопротивления R_ВХ и входной емкости С_ВХ, как это показано на рис. 5. В данном усилителе сопротивление R_ВХ имеет значение порядка 1 кОм, значение входной емкости составляет несколько десятков пФ. Влияние входной емкости на АЧХ усилителя проявляется только на частотах, значение которых больше, чем f_В. В связи с этим при исследовании данного усилителя входная емкость не определяется. Для определения величины R_ВХ в лабораторной установке применяется метод, основанный на использовании измерительного сопротивления R_ИЗМ. Суть метода поясним с помощью схемы на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема измерений для определения входного сопротивления

Сопротивление R_ВХ определяют согласно выражению:

Для повышения точности измерений целесообразно измерять не малые значения U_ВХ и E_Г, а соответствующие им выходные напряжения: и , где измеряется при замкнутом ключе S1, а - при разомкнутом ключе S1; K₀ - коэффициент усиления. При этом выражение для определения R_ВХ принимает вид:

.

Выходное сопротивление

В процессе эксперимента измеряются выходное сопротивление по коллекторному выходу (ключ S5 находится в верхнем положении) и выходное сопротивление по эмиттерному выходу (ключ S5 находится в нижнем положении). Значения выходных сопротивлений определяются на средней частоте АЧХ. Структурная схема для определения R_ВЫХ приведена на рис. 6.

Величина R_ВЫХ определяется на основании измерения двух напряжений на выходных зажимах усилителя. При определении выходного сопротивления по коллекторному выходу измеряются выходное напряжение при разомкнутом ключе S8 и выходное напряжение при замкнутом ключе S8. При определении выходного сопротивления по эмиттерному выходу измеряются выходное напряжение при разомкнутом ключе S9 и выходное напряжение при замкнутом ключе S9.

Рис. 6. Структурная схема для определения R_ВЫХ

Студентам предлагается самим вывести выражение для расчета R_ВЫХ по величинам , и R_ИЗМ.

Рис. 7. Эпюры импульсов при отсутствии и наличии искажений.

Отметим, что выходное напряжение на рис. 7 нормировано и имеет максимальное значение, равное единице. Длительность импульса равна .

По эпюре искаженного импульса определяют его параметры. Длительность фронта определяется как время нарастания выходного напряжения от уровня 0,1 до уровня 0,9. Спад плоской вершины импульса D определяется как разность между максимальным значением выходного напряжения (на рис. 7 это единица) и значением выходного напряжения в момент окончания выходного импульса.

Существует количественная связь между и верхней частотой полосы пропускания усилителя f_В, а также между D и f_Н:

Приведенное выражение для расчета D можно использовать только в том случае, если результат расчета не превышает значение 0,2 (20%).

Рис. 10. Реализация обратных связей параллельного типа.

На этом рисунке изображен микросхемный усилитель, используемый в лабораторном макете. Выходной ток второго каскада, протекая через резистор R7, образует напряжение обратной связи. Через резисторы R4 и R5 это напряжение подается на вход усилителя – параллельно входному напряжению U_ВХ, но противофазно. Таким образом, данная ООС является параллельной.Так как она охватывает оба каскада, то является общей.

Так же, как в случае с обратными связями последовательного типа, данную обратную связь можно классифицировать как ООС по току, если снимать выходное напряжение с выхода 1, или по напряжению, если снимать выходное напряжение с выхода 2. Параллельная ООС по току называют ООС G-типа. Эта обратная связь уменьшает входное сопротивление первого каскада, стабилизирует выходной ток второго каскада. Параллельная ООС по напряжению называют ООС Y-типа. Эта обратная связь уменьшает входное сопротивление первого каскада и выходное сопротивление второго каскада.

Все рассмотренные типы обратных связей увеличивают верхнюю граничную частоту АЧХ.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

По курсу

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Лабораторная работа № 1