6796

Усилители постоянного тока

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилители постоянного тока Цель работы - изучение принципа работы простейшей схемы дифференциального усилителя и экспериментальное определение его параметров ознакомление с работой операционного усилителя (ОУ) и экспериментальное определение е...

Русский

2013-01-08

121.5 KB

104 чел.

Усилители постоянного тока

Цель работы – изучение принципа работы простейшей схемы дифференциального усилителя и экспериментальное определение его параметров; ознакомление с работой операционного усилителя (ОУ) и экспериментальное определение его некоторых параметров.

4.1 Основные положения

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся во времени сигналов, нижняя частота которых приближается к нулю. Верхний частотный диапазон УПТ определяется частотными свойствами используемых в усилителе транзисторов.

Необходимость усиления постоянных по уровню и медленно меняющихся сигналов не позволяет применять между каскадами усиления разделительные конденсаторы, которые не пропускают постоянного тока. Эта особенность приводит к необходимости осуществления непосредственной связи источника сигнала с входом усилителя, а также между отдельными усилительными каскадами.

4.1.1 Дрейф нуля УПТ

При непосредственной связи между каскадами усиления существенными становятся нестабильность напряжения питания, изменение параметров элементов схем во времени и под влиянием температуры. Эти причины вызывают в усилителе изменение потенциалов напряжений на транзисторах, которые усиливаются последующими каскадами и воспринимаются как полезный сигнал на выходе. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при отсутствии входного сигнала называются дрейфом нуля усилителя.

Величина дрейфа нуля УПТ определяется как максимальное изменение выходного напряжения Uвых др при закороченном входе усилителя. Для качественной оценки различных схем пользуются понятием приведенного ко входу усилителя дрейфа нуля. Такой дрейф называют  напряжением смещения Uсм и вычисляют по формуле

,

где  Кu – коэффициент усиления по напряжению УПТ.

Построение УПТ путем последовательного соединения элементарных каскадов усиления на транзисторах с общим эмиттером не решают проблемы дрейфа нуля, т.к. изменения статических токов и напряжений покоя, например, первого каскада под влиянием изменений напряжения питания или температуры усиливаются последующими каскадами. Этот сигнал помехи нельзя отличить от полезного сигнала.

4.1.2 Дифференциальный усилитель

Радикальным средством уменьшения дрейфа нуля является применение дифференциального усилителя, который относится к балансным схемам УПТ и построен на принципе четырехплечного место (рис.4.1).

Двумя плечами моста являются резисторы Rk1 и Rk2, а другими плечами – транзисторы VT1 и VT2. Эмиттеры транзис-торов соединены через резистор Rэ с источником Еэ. Таким образом, в одну диагональ моста включено напряжение Ек+Еэ, а с другой диагонали между кол-лекторами транзисторов на со-противлении нагрузки Rн сни-мается выходное напряжение . Высокие пока-затели каскада могут быть получены только при высокой симметрии плеч моста. Данная структура положена в основу создания микросхем операцион-ных усилителей. Современная интегральная технология позволяет достаточно точно изготовить резисторы и транзисторы с идентичными параметрами, что повышает симметрию каскада.

В схеме дифференциального каскада имеются два входа, на которых подаются напряжения Uвх1  и Uвх2, и два выхода, с которых снимаются напряжения Uk1 и Uk2 относительно общей точки источников питания. Основным параметров каскада является дифференциальный коэффициент усиления, который определяется как отношение выходного сигнала к дифференциальному входному сигналу (разность сигналов Uвх1 и Uвх2):

.

(4.1)

Значение коэффициента усиления дифференциального усилителя аналогично обычному однокаскадному усилителю с общим эмиттером [2,3]:

,

(4.2)

где  - коэффициент передачи тока базы транзистора;

rвхэ – входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Источник Еэ задает транзисторам режим по постоянному току при отсутствии входных сигналов. Через резистор Rэ протекает ток , который при условии пренебрежения базовыми токами равен сумме коллекторных токов . При отсутствии входных сигналов токи , потенциалы напряжений коллекторов транзисторов VT1 и VT2 одинаковы и равны Uk1=Uk2=E-I0Rk/2. При этом выходное напряжение .

Стабилизацию режима покоя дифференциального каскада можно объяснить следующим образом. Малый дрейф нуля данной схемы объясняется тем, что, например, при изменении питающих напряжений или изменении температуры потенциалы коллекторов обоих транзисторов получают равные приращения , т.е. . В реальной схеме из-за некоторой асимметрии, связанной с разбросом параметров элементов, появляется дрейф, который, однако, будет незначительным, так как определяется не самими приращениями потенциалов, а их разностью.

Следует четко понимать, почему эмиттерный резистор Rэ увеличивает стабильность схемы. Так как через резистор Rэ протекает сумма токов I0, то, например, при увеличении температуры или питающего напряжения этот ток повышается на I0 и приводит к появлению отрицательного приращения потенциала эмиттеров на величину . В результате коллекторные и эмиттерные токи уменьшаются, а общий ток I0 стремится к первоначальному значению. Таким образом обеспечивается стабильность режима покоя за счет наличия отрицательной обратной связи по постоянному току. Стабилизирующее действие резистора Rэ тем больше, чем больше его сопротивление. Для увеличения этого сопротивления повышают напряжение источника Еэ и выбирают обычно Еэ=Ек. В интегральных микросхемах вместо резистора Rэ используют источник тока на транзисторах [1,2].

Различают два вида входных сигналов: дифференциальный и синфазный. Дифференциальный сигнал равен разности сигналов на двух входах, подаваемых на базы транзисторов (рис.4.1). Такой сигнал может подаваться между базами (симметричный вход), либо на одну из баз транзисторов относительно общей точки источников питания (несимметричный вход). На рис.4.2,а приведена наиболее применяемая на практике схема несимметричного включения дифференциального сигнала, когда источник сигнала и один из входов транзисторов заземлен. В данном случае Uвхд=Uвх1 и Uвх2=0. При этом во входном контуре, образованном из встречно включенных переходов база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 протекает ток iвх, который при указанной полярности увеличивает ток коллектора транзистора VT1 на Ik и уменьшает на такую же величину ток коллектора VT2. При полной симметрии схемы это вызывает одинаковые и противоположные по знаку изменения потенциалов коллекторов -Uk1 и +Uk2, т.е. появляется дифференциальный выходной сигнал

.

а)      б)

Рисунок 4.2 - Подключение к входам дифференциального усилителя

источника сигналов: а- схема включения дифференциального сигнала Uвхд ;

б- схема включения синфазного сигнала Uвхс

Изменения входного сигнала приводят к противоположным по знаку приращениям коллекторных токов транзисторов, т.е. суммарный ток I0, протекающий через резистор Rэ, остается постоянным. Постоянство этого тока, а следовательно, постоянство потенциала эмиттера транзисторов при воздействии входного сигнала означает, что в данной схеме отсутствует отрицательная обратная связь по входному сигналу, т.е. величина Rэ не влияет на коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Разброс параметров транзисторов приводит к появлению разбаланса каскада, который в основном определяется входными цепями. Так, при Uвхg=0 во входном контуре имеется напряжение смещения  и разность входных токов  обычно включенных переходов база-эмиттер транзисторов.

Синфазный сигнал Uвхс подается на базы транзисторов одновременно (рис.4.2,б). Это приводит к одинаковым изменениям токов и напряжений в транзисторах, т.е. эффект усиления отсутствует. В реальной схеме из-за ее некоторой асимметрии и конечного значения резистора Rэ происходит неполное подавление синфазного сигнала. Наличие такого сигнала на выходе усилителя характеризуется коэффициентом усиления синфазного сигнала

.

На практике синфазный сигнал часто является помехой, например, при воздействии на входные цепи усилителя наводок промышленной частоты. Такие наводки эффективно подавляются дифференциальным усилителем.

4.1.3 Структура операционного усилителя и его параметры

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, изготавливаемый в виде интегральной микросхемы и имеющий коэффициент усиления 104-106. Благодаря высокому коэффициенту усиления и другим качественным показателям современные интегральные ОУ являются универсальным базовым элементом в аналоговой схемотехнике и применяются для выполнения почти всех математических операций над электрическими сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). Кроме этого, они широко используются при построении электронной аппаратуры самого различного назначения.

Несмотря на большое разнообразие схем интегральных ОУ, структуры их обычно состоят из трех последовательно включенных каскадов. Первый каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и выходом. В качестве второго каскада также используется дифференциальный усилитель обычно с несимметричным выходом. За счет непосредственной связи между каскадами уровень выходного напряжения на втором каскаде повышается. Это требует применения специальной схемы сдвига потенциалов, которая снижает напряжение до уровня, чтобы при Uвх=0 Uвых=0. Схема сдвига входит в третий каскад, на выходе которого включен эмиттерный повторитель, что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. Интегральные ОУ могут насчитывать десятки транзисторов. С описанием схем ОУ общего применения можно познакомиться по учебной литературе [1,2,5].

Условное обозначение ОУ приведено на рис.4.3,а. ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 1800 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается на схеме кружком, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением – неинвертирующим. ОУ питается от двух разнополярных источников и –Е.

 

а)      б)

Рисунок 4.3 - Условное обозначение ОУ (а) и передаточные характеристики ОУ (б)
для инвертирующего (кривая 1) и неинвертирующего (кривая 2) включений

Входные сигналы Uвх1 и Uвх2 подаются, а выходной сигнал Uвых снимается относительно общей заземленной шины. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Это свойство позволяет источники входного сигнала и нагрузку подключать непосредственно к выводам ОУ, т.к. это не приводит к изменению статических режимов его каскадов.

Напряжение Uвх является дифференциальным сигналом и может подаваться относительно общей шины при заземлении одного из входов. При этом передаточная характеристика ОУ  располагается симметрично относительно нуля (рис.4.3,б). Так, при заземленном неинвертирующем входе имеем передаточную характеристику 1, а в случае заземления инвертирующего входа – характеристику 2.

Так как в схеме рис.4.3,а нет внешних обратных связей, то наклон передаточных характеристик определяет коэффициент усиления ОУ . Максимальные значения выходного сигнала ограничено уровнями  и , которые определяют режим насыщения выходного каскада транзисторов ОУ. Вблизи этого режима возрастают нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Балансировка ОУ. Как и в простейшем дифференциальном усилителе, в реальном ОУ существует разбаланс. На рис.4.4,а приведена эквивалентная схема включения источника Uб балансировки напряжения смещения в цепь неинвертирующего входа. На рис.4.4,б представлена передаточная характеристика (кривая 1) реального ОУ, сбалансированного подачей внешнего напряжения Uб.

а)        б)

Рисунок 4.4 - Балансировка ОУ: включение источника балансировки Uб (а);
передаточные характеристики (б) сбалансированного ОУ (кривая 1)
и несбалансированного ОУ (кривые 2 и 3)

Кривые 2 и 3 этого рисунка соответствуют некоторому собственному смещению нулевого уровня. При этом, когда оба входа ОУ заземлены, на выходе имеется некоторое напряжение дрейфа Uвыхдр, которое пересчитывается через коэффициент усиления ОУ во входное напряжение смещения Uсм. Таким образом, принцип балансировки ОУ основан на компенсации внутреннего входного напряжения смещения Uсм с помощью встречновключенного внешнего источника.

Приведем основные параметры ОУ, которые характеризуют его качество:

коэффициент усиления К- отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения;

напряжение смешения Uсм - напряжение, которое надо приложить между входами ОУ для получения выходного напряжения равного нулю;

средний входной ток iвх – среднее арифметическое значение входных токов, измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение ОУ равно нулю;

разность входных токов iвх - абсолютное значение разности токов двух входов, измеренных тогда, когда напряжение на выходе равно нулю;

входное сопротивление Rвх- сопротивление одного из входов ОУ, в то время как другой вход заземлен. Это сопротивление также называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала;

коэффициент ослабления синфазного сигнала Lсф - отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала К к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ксф и обычно выражается в децибелах:

;

выходное сопротивление Rвых - отношение приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его приращению выходного тока.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами. Частота единичного усиления f1 на которой коэффициент усиления ОУ равен единице и максимальная скорость нарастания выходного напряжения при подаче на его вход импульса прямоугольной формы.

4.2 Описание схем эксперимента

В работе исследуются две схемы усилителей постоянного тока. На рис.4.5 приведена схема дифференциального усилителя, который питается от двух источников напряжения к и –Еэ. Выходное напряжение каскада определяется между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 в зависимости от подачи на их базы дифференциального или синфазного входных сигналов.

Рисунок 4.5 - Схема дифференциального усилителя

Рисунок 4.6 - Схема исследования
операционного усилителя

На рис.4.6 приведена схема исследования операционного усилителя (ОУ). Для снятия передаточной характеристики ОУ производится предварительная балансировка с помощью подачи компенсирующего напряжения на делитель R3, R4 (гнездо Х8) с ослабление сигнала 1:200. Входной сигнал подается на делитель R1, R2 (гнездо Х7) с ослаблением сигнала 1:2000. Ключ S1 подключает нагрузку Rн к выходу ОУ (гнездо Х9).

Приведенные схемы имеют такое же изображение на накладной панели стенда с указанием номеров контрольных точек (соответственно рис.1 и рис.2).

Входные сигналы для обеих схем задаются от источников Е1 (гнездо Х1) и Е2 (гнездо Х2), величины которые устанавливаются с помощью ручек «Е1» и «Е2». Гнезда Х3, Х4, Х5, Х6 и Х9 предназначены для измерений напряжений в контрольных точках схем.

4.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции.

4.3.1 Исследование дифференциального усилителя

4.3.1.1 Снять передаточную характеристику дифференциального усилителя  при Uвх2=0. Для этого с помощью перемычек подключить источники сигналов Е1 (Х1) и Е2 (Х2) к входам дифференциального усилителя (Х4 и Х5). Установить Е2=Uвх2=0 . Изменять Е1=Uвх1 от –0,6В до +0,6В и фиксировать потенциалы коллекторов Uk1 и Uk2 (гнезда Х3 и Х5). Выходное напряжение определяется из соотношения  с учетом знака разности. Данные измерений занести в табл.4.1.

Таблица 4.1

Uвх1(Е1),В

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

Uk1, B

Uk2, B

Uвых, В

4.3.1.2 Исследовать ослабление дифференциальным усилителем синфазного сигнала, равного .

Для этого установить с помощью ручек «Е1» и «Е2» сигналы одного знака, измерить потенциалы коллекторов Uk1 и Uk2 и определит Uвых для двух случаев:

Uсинф1=0,1 В;

Uсинф2=0,4 В.

4.3.2 Исследование операционного усилителя

4.3.2.1 Произвести балансировку ОУ путем компенсации на входе напряжения смещения Uсм. Для этого подключить источник Е2 на вход усилителя R3, R4 (гнездо Х8) с ослаблением сигнала 1:200. Вращая ручку «Е2», добиться значения выходного напряжения ОУ не более (0,1-0,4)В и зафиксировать значение сигнала  на входе.

4.3.2.2 Снять передаточную характеристику ОУ . Для этого произвести повторную балансировку ОУ в соответствии с п.4.3.2.1. Затем подключить источник сигналов Е1 на вход делителя R1, R2 (гнездо Х7) с ослаблением 1:2000. Снять характеристику от максимального отрицательного напряжения –Е1, до максимального положительного +Е1. Входное напряжение ОУ равно . Данные измерений занести в табл.4.2.

Таблица 4.2

Е1

Uвых, В

Uвх, В

4.3.2.3 Определить выходное сопротивление ОУ. Для этого повторить балансировку ОУ при Е1=0. Затем установить на выходе усилителя напряжение +(45) В и зафиксировать его значение Uвых1. Нажать кнопку S1 и при подключенной нагрузке Rн зафиксировать значение Uвых2.

4.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета

4.4.1 По данным п.4.3.1.1 построить передаточную характеристику дифференциального усилителя. Определить из передаточной характеристики коэффициент усиления  на линейном участке, а также максимальные значения выходного напряжения  и , соответствующие участкам насыщения.

4.4.2 Используя п.4.3.1.2, определить коэффициент усиления синфазного сигнала . Сравнить с коэффициентом усиления дифференциального сигнала Kg, который численно равен значению Ku, определенному в п.4.4.1.

4.4.3 Используя данные п.4.3.2.1, определить напряжение смещения ОУ .

4.4.3 Построить передаточную характеристику ОУ по данным п.4.3.2.2 и определить коэффициент  усиления , а также максимальные значения выходного напряжения  и .

4.4.4 По данным п.4.3.1.3 определить выходное сопротивление ОУ по формуле

,

где  Rн= 3 кОм.

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальные схемы эксперимента, формулы, таблицы и графики, полученные в результате эксперимента и расчета. Отчет должен включать краткий анализ и выводы по результатам эксперимента и расчета.

Вопросы для самопроверки

  1.  Что такое дрейф нуля и причины его появления в УПТ?
  2.  Что такое дрейф нуля, приведенный ко входу УПТ?
  3.  Каковы особенности схемы дифференциального каскада?
  4.  Опишите стабилизацию режима покоя дифференциального каскада при изменении питающего напряжения или температуры.
  5.  Почему резистор Rэ увеличивает стабильность схемы и не влияет на коэффициент усиления дифференциального каскада?
  6.  Опишите способы подачи входного сигнала в УПТ.
  7.  Объясните, почему дифференциальный усилитель не усиливает синфазный сигнал.
  8.  Опишите общую структуру операционного усилителя (ОУ).
  9.  Объясните вид кривой передаточной характеристики ОУ.
  10.  Перечислите основные параметры ОУ
  11.  Как осуществляется в работе балансировка ОУ?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23929. Основы производственной санитарии и гигиены труда в отрасли 126 KB
  Физиологичные особенности различных видов деятельности. Понятие гигиены труда и медицины труда. Основные положения законодательных актов в области гигиены труда. Факторы, влияющие на условия труда. Критерии и показатели условий труда (Гигиеническая классификация труда).
23931. Историческое развитие мифологии 18.94 KB
  Бытование мифологии в произведениях искусства.
23932. Стиль гомеровских поэм. Образы. Язык. Метрика 24 KB
  В поэмах Гомера сочетаются черты древнего и нового эпических стилей. Древний эпический стиль: отсутствие авторского начала все черты содержания определяются традиционностью: 1 Формульность. В нем проявляются черты будущего монарха. Новый эпический стиль Особенности: зачатки романа зачатки жанровой дифференциации зачатки повести основа для ораторского красноречия элементы лирики черты моралистических рассуждений зачатки драмы комедии и трагедии.
23933. Гомеровский вопрос 29 KB
  7 городов оспаривали место жительства Гомера. К ним относили Гомера. рапсоды – поэты – декламаторы Уже в древности исследователи замечали противоречия в поэмах Гомера: культурносоциальные мифологические языковые Но в античности не высказывали сомнений в авторстве Гомера. Классицизм – не любил Гомера.
23934. Древнегреческий фольклор и мифология 15.38 KB
  Древнегреческий фольклор и мифология Фольклор: гимны песни сказки басни предания легенды мифы пословицы. Появляются мифы о родовом проклятии чтобы это объяснить. В этот период появляются мифы о гибели лучших родов Эллады – мифы о войнах Троянская Фиванская. Мифы о мировых катастрофах – Атлантида.
23936. ГОМЕР 15.91 KB
  Эту войну он показал как вооруженный поход греков названных ахейцами данайцами аргивянами под предводительством микенского царя Агамемнона против Трои и ее союзников. Действие Илиады происходит в конце девятого года осады Трои другое название города Илиос Илион отсюда и заглавие поэмы. Он возвращается на поле боя лишь тогда когда его друг Патрокл находит смерть от руки Гектора несгибаемого защитника Трои старшего сына царя Приама. Однако в конце концов он отдает тело Приаму когда старый царь Трои сам приходит в...