Полупроводниковые приборы и усилительные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебное пособие

Полупроводниковые приборы и усилительные устройства

Кулагин Р.Н.

Введение

Описание лабораторного стенда

Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом на универсальных стендах, содержащих 12 исследуемых схем, обозначенных соответствующими номерами и расположенных на двух панелях стенда.

Схемы на левой панели относятся к курсу "Электроника", на правой панели - к курсу "Технические средства автоматизации".

Необходимые соединения элементов схем производятся с помощью гнезд и перемычек между ними.

Средняя панель стенда служит для включения четырех источников напряжения. Верхний тумблер на этой панели включает сетевое напряжение 220 В. При этом над тумблером загорается сигнальная лампочка.

Второй тумблер включает источник постоянного напряжения "плюс" 5 В, которое можно регулировать рукояткой потенциометра R1, а измерять внешним вольтметром на гнездах под рукояткой.

Третий тумблер имеет три положения. Верхнее положение обеспечивает включение источника постоянного напряжения "плюс" 8 В, нижнее - источника постоянного напряжения "минус" 8 В. В среднем положении тумблера эти источники отключаются.

Регулирование уровня напряжения указанных источников осуществляется рукояткой потенциометра R2, а его измерение можно произвести на гнездах под этой рукояткой.

Четвертым источником является генератор переменного напряжения, частота которого устанавливается переключателем на 11 положений, соответствующих частотам: 32, 64, 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4, 8, 16, 32 кГц.

Уровень напряжения на выходе генератора можно регулировать рукояткой потенциометра R3 в пределах 0 - 50 мВ, а измерять - на гнездах под этой рукояткой.

Потенциометры R1, R2, R3 соединены с исследуемыми схемами проводами внутри стенда.

Сборка схем должна производиться при выключенном сетевом напряжении, для чего верхний тумблер переводится в нижнее положение. После проверки преподавателем стенд включается в работу в соответствии с методическими указаниями.

1. Исследование характеристик полупроводниковых приборов

1.1 Цель работы

Изучить принцип действия и характеристики биполярного транзистора (БТ), полевого транзистора (ПТ) и тиристора. Определить основные параметры приборов.

1. Содержание работы

Исследование входных и выходных характеристик БТ. Определение параметров rвх, gвых.

Исследование усилительных свойств БТ. Определение коэффициента усиления .

Снятие выходных и сток-затворных характеристик ПТ с управляющим p-n переходом. Определение параметров Iс.нач., S, Uотс.

Ознакомление с работой тиристора и определение его параметров Uу.от., Iу.от., Uотк.

1.2 Общая часть

Принцип работы БТ

В зависимости от принципа действия н конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют приборы с тремя слоями полупроводника и двумя взаимодействующими p-n переходами. Ток в этих приборах образуется за счет носителей зарядов двух типов: электронов и дырок. В зависимости от типа электропроводности различают транзисторы структуры p-n-p и n-p-n. В биполярном транзисторе к одному переходу прикладывается небольшое прямое напряжение, а к другому - обратное. При этом переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным (Э), средний слой - базой (Б), а второй переход, смещенный в обратном направлении, - коллекторным (К). Условные обозначения транзисторов разной проводимости приведены на рис 1.1.

Рис. 1.1. Графические обозначения БТ

Рис. 1.2. Схема включения БТ

При отсутствии входного напряжения (Uэб = 0) ток в эмиттере также отсутствует, а через переход К-Б под действием напряжения Uкб протекает небольшой обратный ток коллектора Iк, обусловленный неосновными носителями. Если к переходу Э-Б приложить открывающее напряжение (Uэб > 0) (рис. 1.2), возникает значительный прямой ток эмиттера Iэ, который частично обусловлен рекомбинацией основных носителей в базе. Большая часть этих носителей заряда проходит через тонкий слой базы, имеющий большое удельное сопротивление, достигает коллектора и под действием Uкб образует основную составляющую выходного тока коллектора.

Так как напряжение источника питания Uкб в выходной цепи больше, чем во входной, то всякое небольшое изменение входного напряжения вызывает значительные изменения напряжения на нагрузке Rк, включенной в цепь коллектора. На этом основан принцип усиления напряжения в транзисторном каскаде.

Свойства транзистора и его вольт-амперные характеристики зависят от схем включения, среди которых наиболее распространена схема включения с общим эмиттером (ОЭ), исследуемая в данной работе. В этой схеме транзистор имеет большую чувствительность по сравнению с рассмотренной схемой ОБ, входной ток базы значительно меньше тока Iэ.

Входные характеристики БТ (рис. 1.3) для схемы ОЭ показывают зависимость Iб = f (Uбэ) при Uкэ=const. Эти характеристики дают возможность определить входное сопротивление БТ по постоянному току rвх= и по переменному току (дифференциальное) rвх:

rвх= = = tg ;

rвх = h11 = = tg .

Выходные характеристики БТ отражают зависимость Iк = f (Uкэ) при Iб = const (рис. 1.4) и позволяют определить выходную проводимость по постоянному и переменному току:

gвых= = = tg ;

gвых = h22 = = tg .

Усилительные свойства БТ характеризуются коэффициентом передачи тока (рис. 1.5).

Принцип работы ПТ

Приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала электрическим полем, называются полевыми транзисторами. У них в создании тока участвуют носители заряда только одного типа: дырки или электроны, в зависимости от типа полупроводника в канале. Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластинку из полупроводникового материала (рис. 1.6), имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода: электроды стока (С) и истока (И). Вдоль пластины выполнен электрический p-n переход, от которого сделан третий вывод - затвор (З). Внешнее напряжение Uси вызывает между электродами стока и истока протекание электрического тока, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении.

Сопротивление области полупроводника, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода и области, обедненной носителями, увеличиваются с увеличением приложенного к нему обратного напряжения Uзи, а часть канала, проводящая ток Iс, уменьшается. Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока Iс становится практически равным нулю, называют напряжением отсечки Uотс. В зависимости от типа проводимости различают n- и p- канальные транзисторы. Условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом приведены на рис. 1.7.

Выходные характеристики полевого транзистора Iс = f (Uси) аналогичны характеристикам биполярного транзистора, с тем отличием, что вместо Iб фигурирует напряжение на затворе Uзи (рис. 1.3).

Входные характеристики полевого транзистора интереса не представляют, поскольку полностью совпадают с обратно смещенной ветвью p-n перехода. Вместо них используется характеристика передачи или сток-затворная. Вид этих характеристик представлен на рис. 1.8 и 1.9.



Рис. 1.6. Структура ПТ

Рис. 1.7. Графические обозначения ПТ

Принцип действия тиристора

Тиристорами называются четырехслойные полупроводниковые приборы с тремя p-n переходами, предназначенные для использования в качестве электронных ключей. В отличие от транзисторов, плавное увеличение управляющего напряжения или тока приводит к скачкообразному изменению выходного тока, то есть включению тиристора. Это происходит за счет наличия положительной обратной связи во внутренней структуре тиристора. После включения тиристор остается во включенном состоянии сколь угодно долго, даже после снятия напряжения управления Uу. Для того, чтобы выключить тиристор, надо уменьшить протекающий через него анодный ток ниже некоторого критического значения, либо подать в цепь управляющего электрода импульс тока противоположной полярности. Тиристоры, включаемые подачей такого импульса, называют запираемыми.

Основными параметрами тиристора являются: открывающее напряжение управляющего электрода Uу.от, открывающий ток управляющего электрода Iу.от и напряжение на аноде открытого тиристора Uотк.

1.3 Порядок проведения работы

Снять и построить характеристики биполярного транзистора КТ603А проводимости n-p-n, включенного по схеме с ОЭ. Для этого собрать на стенде с помощью перемычек схему для исследования транзистора (рис.1.11) и включить источники питания цепи базы U1 и коллекторной цепи U2 положительной полярности.

Входные характеристики Iб = f (Uбэ) снять при двух значениях коллекторного напряжения Uкэ = const (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Iб, мкА	0	20	40	60	80	100	120	140	Uкэ, В
Uбэ, В									0
									4

Установка тока базы Iб производится регулятором напряжения R1, а измерение этого тока осуществляется методом измерения падения напряжения. Для этого на резисторе R3 = 10 кОм, включенном в цепь базы, измеряется внешним вольтметром падение напряжения U, а затем значение тока Iб определяется по формуле

Iб = = 0,1U (мкА),

где U - показания вольтметра (мВ).

После установки Iб один провод вольтметра из гнезда источника питания U1 переключается на общий провод (эмиттер) и измеряется напряжение Uбэ. Коллекторное напряжение Uк устанавливается регулятором R2 и измеряется внешним вольтметром.

По экспериментальным данным определить входное сопротивление транзистора по постоянному току rвх= и по переменному току rвх = h11 при Iб = 60 мкА, Uкэ = 4 В.

Рис. 1.11. Схема для исследования БТ

Выходные характеристики Iк = f (Uкэ) снять при трех значениях тока базы Iб (табл. 1.2). Измерение напряжения Uкэ и тока Iб производится с помощью внешнего вольтметра, а коллекторного тока Iк - встроенным миллиамперметром (шкала 0 - 10 мА).

По подученным данным определить выходную проводимость транзистора gвых= и gвых = h22 при Uкэ = 4 В, Iб = 75 мкА.

Таблица 1.2

Uкэ, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	4	Iб, мкА
Iк, мА									50
									100
									150

Статическая токовая характеристика Iк = f (Iб) снимается при Uкэ=4В (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Iк, мА	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Iб, мкА

Ток базы Iб изменять таким образом, чтобы фиксировать коллекторный ток Iк через 1мА по встроенному миллиамперметру.

По полученным данным определить коэффициент передачи тока = h21 = Iк/Iб, занести результаты в табл. 1.3 и построить график = f (Iк).

Снять и построить характеристики полевого транзистора КП103М с каналом p-типа. Для этого собрать с помощью перемычек схему измерений и включить источники положительного напряжения затвора U1 и отрицательного напряжения стока U2. Включить отрицательную полярность напряжения U2 питания и миллиамперметра (рис. 1.12).

Выходные характеристики Iс = f(Uси) снять при трех значениях напряжения на затворе Uзи = const (табл. 1.4).

Напряжение стока Uси и затвора Uзи измерять внешним вольтметром, а ток стока Iс - внешним миллиамперметром.

Статическая сток-затворная характеристика Iс = f (Uз) снимается при двух значениях напряжения стока Uси = const (табл. 1.5).

По полученным данным определить параметры полевого транзистора: крутизну характеристики, при Uзи = 0, начальный ток стока Iс.нач. при Uзи = 0 и напряжение отсечки Uз.отс.

Рис. 1.12. Схема для исследования ПТ

Таблица 1.4

Uси, В	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	4	6	8	Uзи, В
Ic, мА											0
											1
											2

Таблица 1.5

Uзи, В	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	Uси, В
Ic, мА											4
											8

Исследовать режим работы тринистора КУ101Е при открывании по управляющему электроду. Для этого собрать схему измерений и включить источники управляющего напряжения U1 и анодного напряжения U2 положительной полярности (рис. 1.13).

Определить отпирающий ток управляющего электрода Iу. от тринистора. Для этого установить регулятором напряжения R2 на аноде тринистора Uа = 8 В при отсутствии управляющего сигнала (U1 = 0).

Рис. 1.13. Схема для измерения параметров тринистора

Постепенно увеличивать напряжение на управляющем электроде Uy регулятором R1 до отпирания тринистора в момент резкого увеличения анодного тока Iа, который регистрируется по миллиамперметру. Зафиксировать при этом отпирающий ток Iу.от, для чего измерить внешним вольтметром падение напряжения U на резисторе R3 = 10 кОм и затем использовать формулу

Iу.от = = 0,1U (мкА), где U - мВ.

Измерить также внешним вольтметром отпирающее напряжение на управляющем электроде Uу.от и напряжение на аноде открытого тринистора Uотк = Uпр относительно катода.

Убедиться, что тринистор остается открытым после снятия управляющего сигнала, для чего выключить источник напряжения U1. Закрыть тринистор по аноду, выключив и включив источник напряжения U2. Состояние тринистора регистрировать по миллиамперметру.

1.4 Содержание отчета

Экспериментальные таблицы - 5 шт.

Графики входных и выходных характеристик биполярного транзистора.

График зависимости коэффициента передачи биполярного транзистора по току от тока коллектора.

Определение параметров БТ: rвх=, rвх, gвых=, gвых.

Сток-затворная и входная характеристики полевого транзистора.

Определение параметров ПТ: S, Iс. нач, Uотс.

Значения параметров включения тиристора: Uу. от, Iу. от, Uотк.

Исследуемые схемы - 3 шт.

Контрольные вопросы

Какой вид имеют входные характеристики германиевого и кремниевого биполярного транзисторов?

Как определяется и от чего зависит входное сопротивление транзистора, что оно означает на графике входной характеристики?

Какой вид имеют выходные характеристики транзистора?

Как определяется выходная проводимость транзистора?

Как определяется коэффициент передачи тока и от чего он зависит?

Перечислить предельные параметры биполярного транзистора.

Какой вид имеют сток-затворные характеристики полевого транзистора с каналом p-типа и n-типа?

Перечислить основные параметры полевого транзистора.

Как отличаются входные сопротивления полевого и биполярного транзисторов?

Перечислить основные параметры тиристора, в том числе предельные.

2. Исследование усилительных каскадов на биполярном транзисторе

Цель работы

Изучить свойства усилительного каскада при включении транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Определить основные показатели каскада.

2.1 Содержание работы

Наладка режима работы усилительного каскада на БТ с помощью электронного осциллографа.

Исследование амплитудной и нагрузочной характеристик усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Определение показателей Rвх, Uвх, KI.

2.2 Общая часть

Способ управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией, во много раз большей, называется усилением. При этом необходимо, чтобы процесс управления являлся непрерывным, плавным и однозначным. Простейший усилитель - это усилительный каскад на одном транзисторе. Свойства такого каскада описываются целым рядом параметров и характеристик, которые зависят от схемы включения транзистора. Амплитудная характеристика - зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного сигнала:

Uвых = f (Uвх).

Нагрузочная характеристика - зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки Rн или тока Iн при определенном значении входного сигнала:

Uвых = f (Iн).

Входное сопротивление

Rвх =

для усилителя напряжения должно быть как можно больше. Коэффициент усиления по напряжению

KU =

должен иметь определенное заданное значение. Коэффициент усиления по току

KI =

характеризует нагрузочную способность усилительного каскада.

В схеме усилительного каскада с ОЭ (рис. 2.1) входной и выходной токи проходят через эмиттер.

Режим работы транзистора по постоянному току определяется выражением

Uк = Uн - Iн· Rн , (2.1)



Рис. 2.1. Схема для исследования усилительного каскада ОЭ

а показатели каскада можно рассчитать по формулам:

, (2.2)

(2.3)

(2.4)

· (2.5)

Для схемы ОК (рис. 2.2) общим электродом для входной и выходной цепи является коллектор.

Рис. 2.2. Схема для исследования усилительного каскада ОК

Режим работы и показатели каскада определяются выражениями:

Uэ = IкRэ + IбRэ IкRэ, (2.6)

(2.7)

, ( 2.8)

, (2.9)

где

- эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера.

2.3 Порядок проведения работы

Собрать на стенде и исследовать схему усилительного каскада ОЭ (рис. 2.1).

Произвести наладку режима работы транзистора, установив его рабочую точку. Для этого на вход усилителя подать от внутреннего генератора синусоидальное напряжение U3 частотой 1000 Гц (переключатель частоты в положении 6). Подключить осциллограф к выходу каскада и, увеличивая входной сигнал регулятором напряжения U3, получить ограничение формы выходного сигнала Uвых = U4. Установить такое сопротивление переменного резистора R5 в цепи смещения транзистора, при котором обеспечивается симметричное ограничение выходного сигнала.

Снять и построить амплитудную характеристику усилительного каскада ОЭ

Uвых = f (Uвх)

при частоте входного сигнала 1000 Гц для режима холостого хода (Rн = ?) и заданного сопротивления нагрузки Rн = R11 = 1 кОм (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Результаты измерения	Uвх, мВ	0	8	16	24	32	40	48	56	Режим измерения
	Iвх, мкА									Rн = ?
	Uвых, В
	Iвх, мкА									Rн = 1кОм
	Uвых, В
Результаты расчета	Показатели	Режим измерения
	Условные обозначения	Экспериментальные значения	Теоретические значения
	Rвх, кОм			Rн = ?
	KU
	KU			Rн = 1кОм
	KI

Переменные напряжения на входе Uвх и на выходе Uвых = U4 измерять внешним вольтметром относительно общего провода. Значения Uвх необходимо выбирать таким образом, чтобы 5 - 6 точек соответствовали линейной части характеристики, а 2 - 3 точки - области нелинейных искажений (в виде ограниченной амплитуды напряжения Uвых).

Одновременно измерять значения входного тока Iвх методом падения напряжения U на резисторе R1 = 1 кОм, используя формулу

Iвх = (мкА),

где U-мВ.

Измерить и зарегистрировать постоянное напряжение Uк в рабочей точке транзистора.

По опытным данным рассчитать и занести в табл. 2.1 показатели усилительного каскада:

Rвх = ,

KU = ,

KI = = .

Вычислить теоретическое значение показателей каскада: Rвх, KU, KI, используя выражения (2.2) - (2.4) при h11 = 1,5 кОм, = 50.

Собрать на стенде и исследовать схему усилительного каскада ОК (рис. 2.2).

Рассчитать экспериментальные значения показателей усилительного каскада ОК по аналогии с п. 3.1.3.

Вычислить теоретическое значение показателей каскада: Rвх, KU, KI, используя выражения (2.7) - (2.9).

2.4 Содержание отчета

Амплитудные характеристики усилительных каскадов ОЭ и ОК - 2 шт.

Таблицы экспериментальных и расчетных данных - 2 шт.

Расчеты показателей усилительных каскадов: Rвх, KU, KI.

Экспериментальные схемы усилительных каскадов с ОЭ и ОК.

Контрольные вопросы

Чем отличаются схемы усилительных каскадов ОЭ и ОК?

Объяснить назначение всех элементов схемы.

Определить по опытным данным постоянный ток коллектора в рабочей точке транзистора для схемы ОЭ и ОК.

От чего зависит и как отличается Rвх в схемах ОЭ и ОК?

От чего зависят коэффициенты усиления KU и KI?

Как отличаются амплитудные характеристики схем ОЭ и ОК?

От чего зависят нелинейные искажения в каскаде?

Оценить сходимость теоретических и опытных значений коэффициента KU для схемы ОЭ и ОК.

Как производится экспериментальная настройка режима работы усилительного каскада ОЭ?

Принцип эмиттерной стабилизации рабочего тока коллектора в усилительном каскаде.

3. Исследование трехкаскадного транзисторного усилителя напряжения и мощности

Цель работы

Исследовать амплитудные и частотные характеристики трехкаскадного усилителя с емкостной связью и двухтактным выходным каскадом. Изучить влияние обратных связей и режима работы транзисторов на свойства усилителя.

3.1 Содержание работы

Произвести наладку работы усилителя.

Снять амплитудную и амплитудно-частотную (АЧХ) характеристики

многокаскадного усилителя с обратной связью и без обратной связи.

3.2 Общая часть

Многокаскадные усилители применяются для получения большого результирующего коэффициента усиления KU, который определяется произведением коэффициентов отдельных каскадов.

Амплитудно-частотной характеристикой усилителя называют зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного гармонического сигнала

KU = f ().

Практически используются логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ), для которых по оси ординат откладывается коэффициент усиления в децибелах KU[дБ] = 20lgKU, а по оси ординат - частота в логарифмическом масштабе. Это повышает точность отсчета низких частот при широком частотном диапазоне, а также дает возможность графического сложения ЛАЧХ отдельных каскадов для получения результирующей ЛАЧХ всего усилителя.

Полоса пропускания частот усилителя определяется по ЛАЧХ между низшей fн и высшей fв частотами, при которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ по сравнению с его значением на средних частотах. При этом низшая частота fн зависит от емкости разделительного конденсатора и входного сопротивления каскадов. На высших частотах уменьшение коэффициента усиления обусловливается входной емкостью каскадов и "паразитной" емкостью монтажа.

Обратной связью (ОС) в усилителях называют явление передачи сигнала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи.

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной обратной связью принято называть ОС, охватывающую отдельные каскады или части усилителя, а общей обратной связью - ОС, охватывающую весь усилитель целиком.

Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной - увеличивается. Существуют схемные решения, позволяющие осуществлять обратную связь для постоянной и переменной составляющих, а также всего сигнала.

По способу включения ОС делят на четыре типа. Два из них обусловливаются видом сигнала ОС, снимаемого с выхода усилителя, то есть по напряжению или по току. Два других характеризуют схему соединения цепи ОС и входа усилителя, которое может быть последовательным или параллельным.

Несмотря на то, что отрицательная ОС уменьшает результирующий коэффициент усиления, она расширяет полосу пропускания частот, повышает стабильность всех параметров усилителя и уменьшает нелинейные искажения.

3.3 Порядок выполнения работы

Собрать схему трёхкаскадного усилителя без общей обратной связи (рис. 3.1).

Произвести наладку режима работы 1 и 3 каскадов. Для этого подключить осциллограф к выходу первого каскада, подать входной сигнал частотой 1000 Гц и, увеличивая его регулятором напряжения U3, обеспечить с помощью переменного резистора R5 симметричное ограничение формы выходного сигнала Uвых1 = U4. Переключить осциллограф на выход 3 каскада, составленного по двухтактной схеме. Уменьшить выходной сигнал Uвых3 = U8 до уровня 1 В и устранить с помощью переменного резистора R7 искажение типа "ступенька". Зарисовать форму выходного напряжения с искажениями типа "ограничение" и "ступенька".

Снять и построить амплитудную характеристику Uвых = f (Uвх) усилителя без и с ОС на частоте входного сигнала 1000 Гц (табл. 3.1). Значения входного напряжения Uвх = U1 выбирать таким образом, чтобы 5 -6 точек соответствовали линейной части характеристики, а 2 - 3 точки - области нелинейных искажений. Переменные напряжения на входе Uвх и на выходе Uвых усилителя измерять внешним вольтметром относительно общего провода. По экспериментальным данным определить коэффициент усиления

KU =

Вычислить теоретическое значение общего коэффициента усиления KU = KU1 KU2 KU3 без ОС. При этом необходимо учесть, что в 1-м каскаде действует местная ОС за счет резистора Rэ, в эмиттере транзистора. Когда сопротивление резисторов Rэ и Rк соизмеримы, для определения KU можно использовать выражение:

,

где

;

3-й каскад является повторителем и его коэффициент усиления близок к единице: КU3 1.

Снять и построить амплитудную характеристику усилителя

Uвых = f (Uвх) при наличии общей отрицательной ОС. Для этого включить цепь ОС, повторить измерения и расчёты аналогично пункту 3.3 и занести результаты в табл. 3.1.

Вычислить теоретический коэффициент усиления при ОС:

,

где

- коэффициент цепи передачи ОС.

Снять и построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) KU[дБ] = F (f) усилителя без ОС. Для этого подать входной сигнал

Uвх = U1 = 10 мВ и, изменяя его частоту в пределах от 32 Гц до 64 кГц, измерять выходное напряжение Uвых = U8 внешним вольтметром (табл. 3.2).

По полученным данным определить KU[дБ] = 20lgKU. При построении графика АЧХ наносить частоту f в логарифмическом масштабе.

Таблица 3.2

f, кГц	0,032	0,063	0,125	0,25	0,5	1	2	4	8	16	32	64	Схема
Uвых, В													Без ОС
KU
KU, дБ
Uвых, В													с ОС
KU
KU, дБ

Снять и построить АЧХ усилителя KU[дБ] = F (f) с ОС. Для этого включить цепь ОС и провести измерения и расчеты по аналогии с п. 3.7. Результаты занести в табл. 3.2. АЧХ по пункту 3.7 и 3.8 строить совместно на одном графике.

3.4 Содержание отчета

Таблицы экспериментальных и расчётных данных - 2 шт.

Амплитудные характеристики усилителя с ОС и без ОС.

АЧХ усилителя без ОС и с ОС, построенное в логарифмическом масштабе на одном графике.

Экспериментальная схема.

Графики Uвых(t) с искажениями типа "ограничение" и "ступенька".

Контрольные вопросы

Объяснять назначение всех элементов схемы усилителя.

В каком каскаде усилителя возникают и от чего зависят искажения

сигнала типа "ступенька" и "ограничение"?

Как определяется общий KU многокаскадного усилителя?

К какому типу по способу включения относится ОС исследуемого усилителя?

Как влияет ОС на амплитудную характеристику усилителя и его коэффициент усиления?

От чего зависит "завал" АЧХ на низких и высоких частотах?

С какой целью используется логарифмический масштаб на графике АЧХ?

Как влияет ОС на АЧХ усилителя?

Как определить полосу пропускания частот усилителя напряжения?

Как отличается КПД усилительного каскада класса A и класса B?

4. Исследование интегрального операционного усилителя

Цель работы

Изучить свойства интегрального операционного усилителя (ОУ) типа К140УД7 на примере четырех схем включения: инвертирующего масштабного ОУ, неинвертирующего масштабного ОУ, интегрирующего ОУ и дифференцирующего ОУ.

4.1 Содержание работы

Исследование инвертирующей и неинвертирующей схем включения

операционного усилителя (ОУ). Определение параметров KU, Rвх, Rвых.

Снятие АЧХ масштабного ОУ.

Снятие временных диаграмм выходного напряжения дифференцирующего и интегрирующего ОУ.

4.2 Общая часть

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения

различных операций над аналоговыми величинами (сигналами).

В настоящее время в качестве УПТ в основном используют интегральные операционные усилители в виде микросхем. По конструктивному исполнению они являются законченными широкополосными УПТ, имеющими большой коэффициент усиления и широкое применение не только для выполнения математических операций, но и в различных функциональных устройствах.

ОУ всегда применяется с цепью глубокой отрицательной ОС. В этом случае результирующей коэффициент усиления KU определяется только параметрами цепи ОС и не зависит от исходного коэффициента усиления K0 и его изменений.

Инвертирующий масштабный ОУ (рис. 4.1) имеет параллельную ОС по напряжению, образуемую резисторами R2 и R1. Резистор R3 служит для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения напряжения смещения нуля Iсм. Параметры схем определяются простыми выражениями:

KU = - , Rвх=R1.

Рис. 4.1. Схема инвертирующего ОУ

Рис. 4.2. Схема неинвертирующего ОУ

Неинвертирующий масштабный ОУ (рис. 4.2) охвачен последовательной ОС по напряжению, образуемой теми же резисторами R2 и R1. Для этой схемы

K U = +1, Rвх Rвх.сф,

где Rвх.сф - синфазное входное сопротивление ОУ.

Интегрирующий ОУ (рис. 4.3) содержит реактивный элемент - конденсатор, включенный вместо резистора R2 в цепи

Рис. 4.3. Схема интегрирующего ОУ Рис.

4.4. Схема дифференцирующего ОУ

Передаточная функция ОУ имеет вид:

W(p) = = - = .

Связь между Uвых и Uвх в операторной форме имеет вид:

Uвых(p) = W(p)·Uвх(p) = .

Переходя к оригиналу, получим временную зависимость между Uвых и Uвх:

Uвых(t) = Uвх(t)dt + U0.

При подаче постоянного входного напряжения на выходе интегратора получим линейно нарастающее напряжение:

Uвых(t) = .

Дифференцирующий ОУ (рис. 4.4) содержит конденсатор C на входе вместо резистора R1. Его передаточная функция имеет вид:

W(p) = = pRосC1.

а временная зависимость между Uвых и Uвх определяется выражением:

Uвых(t) = RосC1.

4.3 Порядок проведения работы

Исследование инвертирующего ОУ.

Собрать на стенде схему исследуемого ОУ (рис. 4.5). Для этого инвертирующий вход ОУ подключить через резистор R5=10 кОм к источнику входного сигнала U1, неинвертирующий вход соединить через резистор R4 = 10 кОм с общей шиной, а в цепи ОС включить резистор

R6 = 100 кОм. Зарисовать исследуемую схему. Источник сигнала U1 отключить выключателем S1.

Произвести балансировку схемы ОУ. Для этого подключить к выходу ОУ вольтметр постоянного тока и установить с помощью переменного резистора R9 нуль на выходе ОУ. Измерить и занести в табл. 4.1 величину разбаланса на выходе U0 при R4 = 0, для чего кратковременно закоротить R4 перемычкой.

Определить коэффициент KU усиления ОУ. Для этого подать входной сигнал U1 = 0,5 В, измерить выходной сигнал U2 с учетом знака и занести его величину в табл. 4.1. Определить коэффициент усиления

KU =

и сравнить его с теоретическим значением

KU = - .

Определить входное сопротивление ОУ. Для этого подать входной сигнал U1 = 0,5 В, измерить вольтметром падение напряжение U

на входном резисторе R5, рассчитать входной ток

Iвх = и Rвх = .

Сравнить эту величину с теоретическим значением Rвх = R5.

Определить выходное сопротивление ОУ. Для этого при входном сигнале U1 = 0,5 В измерить выходной сигнал U2 на холостом ходу и с подключенной нагрузкой U2н, подсоединив перемычкой нагрузочный резистор R10 = 100 Ом. Определить выходное сопротивление по формуле

Rвых = Rн ( - 1). Сравнить эту величину с нормируемым значением для исследуемого типа ОУ (Rвых = 500 Ом без ОС). Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.1.

Исследование неинвертирующего ОУ.

Собрать на стенде схему исследуемого ОУ (рис. 4.2). Неинвертирующий вход (рис. 4.5) подключить через резистор R4 = 10 кОм к источнику входного сигнала U1, инвертирующий вход подключить через резистор R5 = 10 кОм к общей шине, в цепи ОС включить резистор R6 = 100 кОм. Зарисовать схему ОУ.

Определить коэффициент усиления ОУ. Для этого произвести измерения по аналогии с пп. 3.1.3. и сравнить результат с теоретическим значением коэффициента

K = () + 1.

Определить входное сопротивление ОУ. Для этого произвести операции по аналогии с пп. 3.1.4. и сравнить результаты с нормируемым входным сопротивлением для синфазного сигнала Rвх = 400 кОм.

Определить выходное сопротивление. Для этого произвести операции по аналогии с пп. 3.1.5.

Снять АЧХ ОУ. Для этого подать на неинвертирующий вход ОУ через резистор R4 синусоидальный сигнал U3 = 50 мВ от внутреннего генератора с изменяемой частотой от 32 Гц до 64 кГц. Измерить вольтметром переменного тока выходной сигнал U2 на этих частотах и заполнить табл. 4.2, включив в нее результат измерения KU при постоянном токе при f = 0 (пп. 3.2.2). Построить график АЧХ.

Таблица 4.2

f, кГц	0,032	0,063	0,125	0,25	0,5	1	2	4	8	16	32	64
Uвых, В
KU

Исследование интегрирующего ОУ.

Собрать схему исследуемого ОУ (рис. 4.5). В цепи включить конденсатор C2 = 1 мкФ (рис. 4.5), неинвертирующий вход соединить через резистор R4 с общей шиной, а инвертирующий вход подключить через резистор R5 к генератору прямоугольного переменного напряжения (точка А). Генератор построить на основе дополнительного ОУ без ОС, подав на его инвертирующий вход максимальный синусоидальный сигнал U3 частотой 32 Гц с помощью проводника. Выход этого генератора соединен через разделительный конденсатор с гнездом в точке А (генератор и точка А находятся на стенде).

Снять осциллограммы сигналов на входе н выходе интегрирующего ОУ. Сигналы зарисовать в синхронной связи один под другим.

Рассчитать теоретически амплитуду выходного сигнала интегрирующего ОУ, используя выражение

U2m = 0,25·Uвх.m ·,

и сравнить ее экспериментальным значением, полученным из осциллограммы.

Исследование дифференцирующего ОУ.

Собрать схему исследуемого ОУ. В цепи ОС включить резистор R6 = 100 кОм, неинвертирующий вход соединить через резистор R4 с общей шиной, а инвертирующий вход подключить через конденсатор C1 = 1000 пФ к генератору переменного прямоугольного напряжения

Снять осциллограммы сигналов на входе и выходе ОУ по аналогии с пп. 3.3.2.

4.4 Содержание отчета

Экспериментальные схемы - 5 шт.

Экспериментальные таблицы - 2 шт.

График АЧХ ОУ.

Осциллограммы сигналов на входе и выходе интегрирующего ОУ.

Осциллограммы сигналов на входе и выходе дифференцирующего ОУ.

Контрольные вопросы

Перечислить основные схемы включения и области применения ОУ.

Перечислить основные параметры интегральных ОУ.

Объяснить назначение элементов в исследуемых схемах.

Как и почему отличаются коэффициенты усиления в схемах инвертирующего и неинвертирующего ОУ?

Как и почему отличаются входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего ОУ?

Как и почему отличаются АЧХ усилителя с емкостной связью и интегрального ОУ?

Объяснить форму выходного сигнала интегрирующего ОУ.

Объяснить форму выходного сигнала дифференцирующего ОУ.

Обосновать метод определения выходного сопротивления по опытным данным.

Обосновать выражение для расчета амплитуды выходного сигнала интегрирующего ОУ.

5. Сборник задач

5.1 Основные компоненты электронной техники

В задачах этого раздела на простых практических схемах рассматриваются условия выбора, параметры и режимы работы полупроводниковых приборов - выпрямительных диодов, стабилитронов, фотодиодов и светодиодов, транзисторов и тиристоров. Для резисторов и конденсаторов рассчитанные параметры округляются до ближайшего номинального значения из ряда Е6, Е12, Е24.

Представить схему мостового выпрямителя с конденсатором фильтра на выходе, выбрать тип диодов, определить выходное напряжение и емкость конденсатора фильтра при заданных значениях коэффициента пульсаций p = 0,02 , входного напряжения и тока нагрузки (табл. 2.1.1). Представить условия выбора диодов при наличии конденсатора фильтра и без него.

Таблица 2.1.1

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	5	6,3	10	12,6	15	19	24	56	127	220
	0,41	0,52	0,35	0,45	0,26	0,34	0,2	0,1	0,045	0,076

Методические указания

Диоды выбираются по двум максимально допустимым параметрам и которые должны превышать соответствующие фактические значения и на 20 - 30%. В свою очередь величины и связаны с напряжениями, и током нагрузки определенными соотношениями в зависимости от схемы выпрямителя и наличия сглаживающего фильтра. Эти соотношения приводятся в литературе и должны использоваться как условия выбора диодов.

Емкость конденсатора фильтра определяется по заданному коэффициенту пульсации p, сопротивлению нагрузки

с учетом частоты пульсации , равной удвоенной частоте питающей сети из выражения:

.

Представить схему и произвести расчет параметрического стабилизатора напряжения с заданными значениями коэффициента стабилизации , выходного напряжения и сопротивления нагрузки (табл. 2.1.2). Выбрать тип полупроводникового стабилитрона, определить необходимое напряжение питания , сопротивление балластного резистора и его мощность . Рассчитать фактическое изменение выходного напряжения при подключении нагрузки и при изменении напряжения питания на 20 % в условиях холостого хода.

Таблица 2.1.2

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	10	12	15	18	22	27	33	39	47	56
	50	80	100	180	440	540	1100	1560	2350	2800

Методические указания

Тип стабилитрона выбирается по величине с учетом тока нагрузки



из условий:

,

.

При этом должно выполняться соотношение .

Напряжение питания и сопротивление можно определить из системы уравнений:

где - дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Параметр берется из справочника для тока стабилизации, являющегося средним значением между

и .

Тип резистора выбирается по рассеиваемой на нем мощности

.

После расчета сопротивление балластного резистора необходимо округлить до ближайшего номинального значения в соответствии с типовым рядом сопротивлений. В зависимости от точности изготовления резисторов предусматривается: ряд Е12 (допуст. погрешность 10 %); ряд Е24 (погрешность 5 %); ряд Е48 (доп. погрешность 2 %) и др. (см. табл. 2.1.3.)

Таблица 2.1.3

	1	1,2	1,5	1,8	2,2	2,7
	3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2
	1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,7	3,0
	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

Фактическое сопротивление резистора R определяется выражением:

,

где n = 0, 1, 2, 3…- порядок числа.

Наиболее широко применяются резисторы типов МЛТ (маломощные) и ПЭВ, С5 - 35В (мощные).

МЛТ - металлопленочный, лакированный, теплостойкий. Они выпускаются пяти видов по номинальной мощности от 0,125 Вт до 2 Вт и имеют соответствующее обозначение: МЛТ-0,125; МЛТ-0,25; МЛТ-0,5; МЛТ-1; МЛТ-2.

Сопротивление этих резисторов соответствуют рядам: Е12; Е24; Е48 и находится в пределах: 1 - 910 Ом; 1 - 910 кОм; 1 - 10 МоМ.

ПЭВ - проволочные, эмалированные, радиальные выводы. Выпускаются 11 видов по номинальной мощности: 3; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 75; 100 Вт.

Сопротивление этих резисторов соответствуют ряду Е24 и находится в пределах 1 - 56000 Ом в зависимости от мощности.

Изменения выходного напряжения при изменении напряжения питания



и подключении нагрузки определяются из выражений:

,

.

Представить схему оптоэлектронного позиционного датчика с управляемым оптическим каналом, содержащую светодиод и фотодиод с соответствующими резисторами и . Выбрать типы светодиода и фотодиода, задать режимы их работы и определить сопротивление резисторов в схеме при напряжении питания датчика . Рассчитать напряжение на выходе датчика при световом потоке через оптический канал и нагрузке (табл. 2.1.4).

Таблица 2.1.4

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9	3,0
	800	700	600	500	400	350	300	250	200	150

Методические указания

Целесообразно выбрать светодиод с инфракрасным спектром излучения, при котором фотодиод может использоваться с защитным

ИК-фильтром. Номинальный ток светодиода в позиционном датчике выбирается в пределах до 20 % от максимального тока для повышения срока службы излучателя.

Фотодиод выбирается на основе кремния, что уменьшает темновой ток и повышает термостабильность датчика.

Сопротивление ограничительного резистора светодиода равно

,

где - прямое падение напряжения на светодиоде (из справочника).

Сопротивление выходного резистора в цепи фотодиода выбирается в пределах 10 - 100 кОм в зависимости от сопротивления внешней нагрузки из условия .

Выходной сигнал датчика можно определить, используя выражение

,

где - интегральная чувствительность светодиода (из справочника).

Рекомендуемые типы светодиода и фотодиода:

светодиод - ;

фотодиод - .

Определить фактические параметры транзистора в рабочей точке , (табл. 2.1.5), используя его входные и выходные вольтамперные характеристики:

- дифференциальное выходное сопротивление (по переменному току);

- статический коэффициент передачи тока;

- дифференциальный коэффициент передачи тока.

Таблица 2.1.5

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75

Сравнить полученные значения статических и дифференциальных параметров транзистора и показать их отличие в виде неравенств.

Методические указания

Для определения дифференциальных сопротивлений транзистора на графике входных или выходных характеристик откладывают приращения функции как катеты треугольника с вершиной в рабочей точке. Для определения статических сопротивлений используют координаты этой точки.

При определении коэффициента передачи необходимо взять приращение токов базы и коллектора между соседними выходными характеристиками для заданного напряжения в рабочей точке.

Задача 2.1.5. Представить схему тиристорного выключателя для управления силовым электромагнитом при его питании от мостового выпрямителя. Выбрать тип тиристора, определить параметры сигнала управления и мощность, рассеиваемую тиристором, при заданных значениях напряжения питания и сопротивления электромагнита (табл. 2.1.6). Определить максимальную мощность в нагрузке, которую может коммутировать выбранный тиристор.

Таблица 2.1.6

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	12	24	36	48	60	110	127	127	220	380
	8	15	20	12	20	65	80	60	200	760

Методические указания

Тиристор выбирается по максимально допустимым параметрам и, которые должны превышать соответствующие фактические максимальные значения на 20 - 30 % .

Фактическое значение определяется амплитудой напряжения питания (при использовании защитного диода). Ток соответствует току нагрузки тиристора.

Мощность, рассеиваемая тиристором, определяется падением напряжения на открытом тиристоре и током.

Максимальная мощность в нагрузке, коммутируемая тиристором,

определяется по предельным параметрам и .

5.2 Усилительные устройства

В этом разделе рассматриваются инженерные методы расчета усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, вычитающего и интегрирующего операционных усилителей, влияние обратной связи на параметры усилителя.

В двухкаскадном транзисторном усилителе с ОС последовательно-параллельного типа определить собственный коэффициент усиления , если необходимо ограничить изменение результирующего коэффициента усиления в заданных пределах (табл. 2.2.1) при изменениях каждого транзистора в 2 раза. Рассчитать входное и выходное сопротивления усилителя, если заданы входные и выходные сопротивления усилительного каскада .

Таблица 2.2.1

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100
	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19

Методические указания

Для решения задачи необходимо использовать известное выражение, связывающее коэффициенты усиления замкнутого усилителя , разомкнутого усилителя и коэффициент передачи цепи обратной связи . Так как в этом выражении два неизвестных коэффициента и , то их необходимо включить в систему двух уравнений. В первое уравнение, связывающее , и , подставляется исходное заданное значение . Во втором аналогичном уравнении вместо берется в соответствии с изменением коэффициента двух транзисторов, а вместо подставляется увеличенное его значение

как следствие изменения .

Получив из этой системы уравнений значение коэффициента , можно рассчитать сопротивления и , которые определяются глубиной ОС, то есть отношением .

Составить и рассчитать схему транзисторного и усилительного каскада с общим эмиттером, определить его коэффициент усиления , входное сопротивление и выходное сопротивление для условий холостого хода и при включенной нагрузке. Построить диаграммы напряжений на входе, коллекторе и нагрузке. В схеме предусмотреть эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора.

Исходные данные:

- напряжение питания ;

- сопротивление резистора в цепи коллектора (табл. 2.2.2);

- частота входного сигнала;

- параметры транзистора.

Таблица 2.2.2

Вариант	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	390	430	470	510	560	620	680	750	820	910

Методические указания

Расчет каскада начинают с определения рабочей точки транзистора, обеспечивающей режим работы каскада в классе . Используя коэффициент передачи транзистора, определяют рабочий ток базы и напряжение, по которому рассчитываются сопротивления базового делителя. При этом задают ток делителя

и напряжение на эмиттере

Емкость конденсаторов на входе, выходе и эмиттере определяется из условия ", где - сопротивление резистора , или .

Параметры усилительного каскада , и рассчитываются по известным формулам, при этом для нагруженного усилительного каскада вместо подставляется эквивалентное сопротивление

.

При построении диаграммы напряжения на коллекторе необходимо учитывать постоянную составляющую , а также сдвиг фазы этого сигнала относительно входного.

В связи с малым значением сопротивлений и емкость конденсаторов может быть значительной (10 - 100 МкФ). Поэтому выбираются конденсаторы, например, типа К50 - 16 . Номинальные значения емкости этих конденсаторов соответствуют ряду Е12, а рабочие напряжения выбираются из ряда: 6,3; 10; 15; 20; 25 В и т. д.

Представить схему вычитающего операционного усилителя (ОУ), в котором сигнал ...