Исследование работы усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

52

2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ и УПРАВЛЕНИЯ В Г. ТАГАНРОГЕ

(ИРТСиУ Южного федерального университета)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Электроника и схемотехника

Выполнил: Репка С.С.

г. Таганрог, 2021 г.

Введение

Электронный усилитель -- прибор, способный усиливать электрическую мощность. Приборы, усиливающие только ток или напряжение (например, трансформаторы) к числу усилителей не относятся. Принцип работы электронного усилителя основан на изменении его активного или реактивного сопротивления электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках под воздействием сигнала малой мощности. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры -- радиоприемника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

С точки зрения спектрального диапазона усиливаемого сигнала выделяют усилители звуковой (низкой) частоты (УЗЧ, УНЧ); усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) радиоприёмных устройств. Кроме того возможна классификация усилителей по мощности, режимам работы, выполнению специальных функций.

Все усилители можно подразделить на два класса - с линейным режимом работы и нелинейным. К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному (пропорциональном усилении мгновенных значений входного сигнала.

Цель работы: исследование работы усилителей.

Задачи работы:

- рассмотреть работу транзисторных усилителей;

- исследовать характеристику операционного усилителя;

- исследовать принцип работы невелирующего усилителя;

- рассмотреть работу инвертирующего усилителя;

- исследовать инвертирующий сумматор на ОУ.

1. Исследование работы транзисторных усилителей

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями.

В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажение сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы ( термисторы, позисторы) -- для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы -- для выравнивания частотной характеристики.

Рисунок 1. - УНЧ с обратной связью типичная схема

Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприемных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Транзисторные усилители несмотря на возникновение более современных устройств не потеряли своей популярности. Это связано с рядом преимуществ, к примеру, с отсутствием необходимости предварительного прогрева устройства для начала работы, которая возникает при работе с ламповыми усилителями звука. Рассмотрим все преимущества и недостатки таких усилителей, а также их особенности.

К основным преимуществам использования транзисторных моделей для усиления звукового сигнала относится:

1. Мгновенная готовность к работе. Устройство начинает работать сразу же после запуска и не требует прогрева.

2. Прочность. Транзисторный усилитель в зависимости от лампового обладает высоким показателем механической прочности, что делает его более надежным и практичным для использования.

3. Доступная стоимость транзистора. Благодаря этому не только снижается стоимость прибора, но и цена ремонтных работ при выходе из строя транзисторов.

4. Длительный срок службы. Ламповые усилители мощности служат долго, но их срок службы все равно ограничен. Это связано с потерей эмиссии у ламп. Транзисторы перегорают редко и даже в этом случае для восстановления работоспособности устройства достаточно заменить недорогие транзисторы новыми и усилитель снова готов к работе.

5. Компактные размеры. Это связано с небольшим весом и размерам транзисторов. Благодаря малому весу и габаритам устройство проще транспортировать и легче найти для него место среди звуковой аппаратуры.

6. Отсутствие необходимости использовать выходной трансформатор. Это позволяет добиться характеристик, которые невозможных у ламповых усилителей.

При этом транзисторные усилители звука удобны и просты в работе, поэтому именно они чаще всего используются для бытовых аудиосистем.

Несмотря на явные преимущества использования транзисторные усилителя звука обладают и некоторыми недостатками, к которым относится:

1. Чувствительность к высоким температурам. Транзисторные модели усилителей нуждаются в постоянном охлаждении. Когда температура транзисторов превышает 25 градусов, мощность устройства падает.

2. Качество звука хуже. В отличие от ламповых транзисторные усилителя звука не дают той теплоты, насыщенности и сочности звучания.

3. Нелинейность входных характеристик. Входные характеристики транзисторных моделей имеют резкий излом, поэтому сложно получить действительно высокое качество звучания.

Однако для домашнего использования транзисторные усилители являются отличной альтернативой ламповых моделей, гарантируя доступную стоимость, простоту использования и компактные размеры.

Рисунок 1. Схема простого транзисторного усилителя

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры -- для регулировки усиления, фильтры -- для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства -- нелинейные и др.

Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Одной из основных характеристик усилителей с линейным режимом работы, как линейных четырёхполюсников, является комплексный коэффициент передачи по напряжению (току):

(1)

Величина К_u(ѓ)является комплексной, т.е. характеризует изменение как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффициента передачи усилителя ?К_u(ѓ) ¦ называют коэффициентом усиления. Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определенного для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты ц _u(ѓ) называется фазово-частотной характеристикой усилителя.

Часто для достижения необходимого коэффициента усиления используют многокаскадные усилители, в которых выходное напряжение предыдущего каскада является входным для следующего каскада и общий коэффициент усиления равен:

К_u= К_u1· К_u2· К_u3·… К_un (2)

Коэффициент усиления в ряде случаев принято выражать в децибелах.

(3)

Для многокаскадного усиления: К_дб= К_дб1+ К_дб2 +К_дб3+… +К_дбn (4)

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений отсутствует. К усилителям с непропорциональным режимом работы можно отнести, например, логарифмические усилители и ограничители.

Многокаскадные транзисторные усилители, обеспечивающие высокий КПД при низких напряжениях питания и больших токах, протекающих через нагрузку, широко используют в силовых системах автоматики. Каскады предварительного преобразования и усиления сигналов управления обычно исполняют в виде микросхем, что повышает компактность усилителя в целом.

Отдельные каскады многокаскадного транзисторного усилителя на несущей частоте объединяют с помощью комплексных (реостатно-емкостных и трансформаторных) связей; каскады усилителя постоянного тока имеют гальванические связи.

В схемах многокаскадных транзисторных усилителей переменного тока с гальванической связью между каскадами не требуются конденсаторы или трансформаторы связи ( кроме входных и выходных) и конденсаторы в цепях эмиттеров, что позволяет уменьшить габариты усилителя.

1. Лабораторная работа № 8. Исследование работы транзисторных усилителей

1.1 Цель работы

1. Определение коэффициента усиления по напряжению в усилителях с общим эмиттером и общим коллектором.

2. Определение фазового сдвига сигналов в усилителях.

3. Измерение входного сопротивления усилителей.

4. Исследование влияния входного сопротивления усилителя на 111 коэффициент усиления по напряжению.

5. Измерение выходного сопротивления усилителей.

6. Анализ влияния нагрузки усилителя на коэффициент усиления по напряжению.

7. Исследование влияния разделительного конденсатора на усиление переменной составляющей сигнала.

8. Анализ влияния сопротивления резистора RЭ в цепи эмиттера на коэффициент усиления по напряжению.

8.2 Приборы и элементы

Функциональный генератор - группа Instruments

Осциллограф - группа Instruments

Боде-плоттер - группа Instruments

Источники постоянного напряжения - группа Sources

Биполярный транзистор 2N3904 - группа Transistors

Конденсаторы - группа Basic

Резисторы - группа Basic

Ключ - группа Basic

Эксперимент 1. Исследование каскада с общим эмиттером в режиме малого сигнала

а) Измерение амплитуд напряжений, фазовых сдвигов сигналов,

граничной частоты и вычисление коэффициента усиления каскада

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 10мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 2,05 В

• Сдвиг фаз между входным и выходным синусоидальными

сигналами на частоте 1кГц(измерение), ? = 180

• Нижняя граничная частота усилителя (измерение), fНЧ = 34.37 Hz

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений) КU = 205



Рисунок 8.1 - Принципиальная схема исследуемого каскада с общим эмиттером

Рисунок 8.2 - АЧХ

Рисунок 8.3 - ФЧХ

б) Расчет тока эмиттера и параметров каскада

• Ток эмиттера (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов): IЭ = 10,6 мкA

• Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов): rЭ =471.7 Ом

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов) КU = 0,583

в) Определение коэффициента усиления при подключении

дополнительного резистора на вход каскада

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 10мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 0,967 В

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений), КU = 96,7

г) Определение входного сопротивления каскада по переменному току

• Амплитуда входного напряжения в точке Ub(измерение), uБ=9,7мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 2.5В

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений), КU = 257,7

• Входное сопротивление каскада по переменному току (расчет) rВХ = 109.7 Ом

д) Расчет входного сопротивления каскада по переменному току

• Коэффициент передачи тока транзистора, = 0,25

• Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, rЭ = 471.7 Ом

• Сопротивление резистора схемы, R1 = 2кОм

• Сопротивление резистора схемы, R2 = 10кОм

• Входное сопротивление транзистора (расчет): ri = 117.9 Ом

• Входное сопротивление усилительного каскада (расчет): rВХ=110 Ом

е) Определение коэффициента усиления каскада при уменьшении сопротивления нагрузки

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 9,957 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ =1,07 В

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений): КU = 107,5

ж) Расчет выходного сопротивления каскада

• Амплитуда выходного напряжения усилителя в режиме холостого хода, uХХ = 2,05 В

• Амплитуда выходного напряжения усилителя, uВЫХ = 1,07 В

• Сопротивление нагрузки, RН = 2 кОм

• Выходное сопротивление усилителя (расчет): rВЫХ = 956 Ом

з) Измерение постоянной составляющей выходного сигнала каскада

• Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение), UC = 12,7 В

и) Определение коэффициента усиления каскада с резистором в цепи эмиттера в отсутствии шунтирующего конденсатора

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 9,92 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 29,3 мВ

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений): КU =2,95

к) Вычисление коэффициента усиления каскада с резистором в цепи эмиттера в отсутствии шунтирующего конденсатора

• Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, rЭ = 471,7 Ом

• Сопротивление резистора схемы, RЭ = 660 Ом

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет): KU =0,583

Эксперимент 2. Исследование каскада с общим коллектором в режиме малого сигнала

а) Измерение амплитуд напряжений, фазовых сдвигов сигналов и вычисление коэффициента усиления каскада

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 199,8 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 190 МВ

• Сдвиг фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами на частоте 1 кГц (измерение), ? =780

• Нижняя граничная частота усилителя (измерение), fНЧ = 1,7 Hz

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений): КU = 0.95

Рисунок 8.4 - Принципиальная схема исследуемого каскада с общим коллектором

Рисунок 8.5 - АЧХ



Рисунок 8.6 - ФЧХ

б) Расчет тока эмиттера и параметров каскада

• Ток эмиттера (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов): IЭ = 880 мкА

• Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов): rЭ = 5,7 Ом

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчетные соотношения и результаты промежуточных расчетов) КU = 1

в) Определение коэффициента усиления при подключении дополнительного резистора на вход каскада

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 17 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ = 16,2 мВ

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений), КU = 0,95

г) Определение входного сопротивления каскада по переменному току

• Амплитуда входного напряжения в точке Ub (измерение), uБ =199,7 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ =189,6 мВ

• Коэффициент усиления каскада по напряжению (расчет по результатам измерений), КU = 0,95

• Входной ток усилительного каскада (расчет), iВХ = 15 мкА

• Входное сопротивление каскада по переменному току (расчет), rВХ = 13,3 кОм

д) Расчет входного сопротивления каскада по переменному току

• Коэффициент передачи тока транзистора, = 0,25

• Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, rЭ=5,68 Ом

• Сопротивление резистора схемы, RЭ = 5 кОм

• Сопротивление резистора схемы, R1 = 20 кОм

• Сопротивление резистора схемы, R2 = 20кОм

• Входное сопротивление транзистора (расчет): riЭ = 1,25 кОм

• Входное сопротивление усилительного каскада (расчет) rВХ=1,11 кОм

е) Определение коэффициента усиления каскада при увеличении и уменьшении сопротивления нагрузки

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ = 191,77 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uХХ = 191,44 мВ

• Коэффициент усиления каскада по напряжению RL = 200 кОм

(расчет по результатам измерений), КU =1

• Амплитуда входного напряжения (измерение), uВХ =169,85 мВ

• Амплитуда выходного напряжения (измерение), uВЫХ=141,51мВ

• Коэффициент усиления каскада по напряжению RL = 200 Ом (расчет по результатам измерений),КU = 0,83

ж) Расчет выходного сопротивления каскада

• Амплитуда выходного напряжения усилителя в режиме холостого хода, uХХ=191,44 мВ

• Амплитуда выходного напряжения усилителя, uВЫХ =141.51 мВ

• Сопротивление нагрузки, RН = 200Ом

• Выходное сопротивление усилителя (расчет): rВЫХ = 70,53 Ом



з) Измерение постоянной составляющей выходного сигнала каскада ? Постоянная составляющая напряжения в узле Ub(измерение), Ub= 5,14 В

• Постоянная составляющая напряжения в узле Ue(измерение), Ue=4,45 В и) Расчет постоянных составляющих напряжения и тока каскада ? Постоянная составляющая напряжения в узле Ub (расчет),Ub=5В ? Постоянная составляющая напряжения в узле Ue (расчет), Ue=4,3 В

• Ток эмиттера (расчет), IЭ = 86 мкА

2. Исследование характеристик операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) или операционники - усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффицент усиления или передачи полученной схемы.

Рисунок 2. Операционные усилители

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных, являются приближением к идеальным.

Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей и других устройств. Подобные усилители имеют симметричный дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Функциональная схема типового ОУ представлена на рисунке 3а, а его условное обозначение -- на рисунке 3б. Входной дифференциальный каскад ОУ, обычно реализуемый на полевых транзисторах, обеспечивает высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является двухтактный усилитель мощности с низким выходным сопротивлением (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или АВ). В настоящее время ОУ проектируют по двухкаскадной схеме.

Рисунок 3. - Функциональная схема типового ОУ и его условное обозначение

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае -- в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +Un и -- Un или один биполярный источник, а его среднюю точку соединяют с общей шиной (заземляют), относительно которой измеряются напряжения +Un и --Un, равные ±3 В...±15 В. Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.

Без обратных связей ОУ не применяется из-за его большого коэффициента усиления (для идеального ОУ Ки = ; Rвх = ; Rвых = 0 и бесконечная полоса частот усиливаемого сигнала), вследствие чего даже незначительная асимметрия плеч входного дифференциального усилителя или весьма малое входное напряжение могут привести к насыщению ОУ (формированию на выходе ОУ напряжения, близкого по уровню к напряжению питания) и его неспособности обрабатывать входные сигналы.

На схемах операционные усилители отображаются следующим образом (Рисунок 3):

V₊ - неинвертирующий вход

V_- - инвертирующий вход

V_out - выход

V_S+ - плюс напряжения питания

V_S- - минус напряжения питания

Рисунок 4. Условные обозначения операционного усилителя

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.

2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «-», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Лабораторная работа № 9. Исследование характеристик операционного усилителя

Цель работы

1. Изучение основных характеристик и параметров операционного усилителя (ОУ).

2. Измерение входных токов (ОУ).

3. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.

4. Измерение напряжения смещения ОУ.

5. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.

6. Вычисление выходного сопротивления ОУ.

7. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

Приборы и элементы

Вольтметр - группа Indicators

Амперметр - группа Indicators

Осциллограф - группа Instruments

Функциональный генератор - группа Instruments

Источники постоянного напряжения - группа Sources

Операционный усилитель LM741 - группа Analog ICs

Резисторы - группа Basic

Ключ - группа Basic

Эксперимент 1. Измерение входных токов ОУ

• Ток неинвертирующего входа (измерение) I1 = 45нА

• Ток инвертирующего входа (измерение) I2 = 70 нА

• Средний входной ток (расчет по результатам измерений) IВХ =

57,5 нА

• Разность входных токов (расчет по результатам измерений) ?IВХ = 25 нА

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения ОУ

• Выходное напряжение усилителя (измерение) UВЫХ = 1 В

• Коэффициент усиления схемы (расчет) KU = -1000

• Напряжение смещения (расчет по результатам измерений) UСМ= 1 мВ

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ

а) Определение дифференциального входного сопротивления ? Входной ток до переключения ключа S1 (измерение) IВХ = 75нА

• Выходное напряжение до переключения S1 (измерение) UВЫХ=1,8 кВ

• Входной ток после переключения ключа S1 (измерение) IВХ=65нА

• Изменение входного напряжения (расчет по результатам измерений) ?UВХ = 20мВ

• Изменение входного тока (расчет по результатам измерений) ?IВХ = 10 нА

• Входное дифференциальное сопротивление (расчет по результатам измерений) ? RВХ.ДИФ = 2000 Ом

б) Определение выходного сопротивления

• Выходное напряжение до переключения S1 при изменении сопротивления резистора RL (измерение) UВЫХ = 900 В

• Выходное сопротивление (измерение) RВЫХ = 75 Ом

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

• Выходное напряжение (измерение) UВЫХ = 10В

• Время установления выходного напряжения (измерение) tУСТ=0,862мкС

• Скорость нарастания выходного напряжения (расчет по результатам измерений) VU.ВЫХ = 11,6 В/мкС

Рисунок 9.1 - Осциллограмма выходного напряжения схемы

3. Исследование неинвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика представлены на рисунке 5 а ,б.

Рисунок 5. Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением:

(5)

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя:

(6)

Основными параметрами ОУ с ООС являются: коэффициент усиления напряжения Kи.ос =? ивых / ? ивх, где ? ивх -- разность потенциалов между входными выводами, и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (Kи=10⁵ - 10⁶). Для инвертирующего ОУ с ООС Ки.ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов Roc и R1 звена ООС по напряжению, то есть Kи.ос ? - Roc/R1.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (см. Рисунок 4 а)

Kи.ос ? Roc/R1 + 1 (7)

Максимальное значение напряжения, при котором нелинейные искажения пренебрежительно малы, Uвых.mах = Kи ивх ? (0,8--0,9)Un, то есть меньше напряжения питания Un на 0,5--3 В в зависимости от уровня Un;

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Лабораторная работа №10. Исследование неинвертирующего усилителя

Цель работы

1. Изучение схемы включения операционного усилителя (ОУ).

2. Измерение и расчет коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на основе ОУ.

3. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

4. Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения.

Приборы и элементы

Осциллограф - группа Instruments

Боде-плоттер - группа Instruments

Функциональный генератор - группа Instruments

Операционный усилитель LM741 - группа Analog ICs

Резисторы - группа Basic

Эксперимент 1. Исследование работы неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.



Рисунок 10.1 - Принципиальная схема исследуемого каскада

Коэффициент усиления схемы KU = 101 (расчет)

• Амплитуда входного напряжения UВХ =5 мВ (измерение)

• Амплитуда выходного напряжения UВЫХ =600 мВ (измерение)

• Коэффициент усиления схемы KU =120 (расчет по результатам измерений)

• Напряжение смещения (по UСМ = 4,95 мВ результатам расчетов)

• Постоянная составляющая UO.ВЫХ =499,8 мВ выходного напряжения (расчет)

• Постоянная составляющая UO.ВЫХ =508 мВ выходного напряжения (измерение)

• Разность фаз (измерение) ??= - 3,858°

• Верхняя граничная частота fВЧ = 40,06 дБ усилителя (измерение)

R1 = 1кОм, R2 = 100 кОм R1 = 1кОм, R2 = 100 кОм



а) б)

Рисунок 10.2 - АЧХ (а) и ФЧХ (б) неинвертирующего усилителя на ОУ

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров элементов схемы на её характеристики

? Коэффициент усиления схемы по напряжению (расчет)	KU = 11
? Амплитуда входного напряжения (измерение)	UВХ =98,74 мВ
? Амплитуда выходного напряжения (измерение)	UВЫХ = 1,1 В
? Коэффициент усиления схемы по напряжению (расчет по результатам измерений)	KU =11,1
? Напряжение смещения (по результатам расчетов)	UСМ = 91 мВ
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	UO.ВЫХ =1 В
? Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение)	UO.ВЫХ =1 В
? Разность фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами на частоте 1кГц (измерение)	??= - 0,424°
? Верхняя граничная частота усилителя (измерение)	fВЧ = 20,83 дБ
R1 = 1кОм, R2 = 10 кОм	R1 = 1кОм, R2 = 10 кОм



а) б)

Рисунок 10.3 - АЧХ (а) и ФЧХ (б) неинвертирующего усилителя на ОУ

Эксперимент 3. Измерение времени нарастания выходного напряжения неинвертирующего усилителя

? Выходное напряжения UВЫХ =5,5 В (измерение) напряжения (расчет по результатам измерений)

Время установления выходного напряжения (измерение)	tУСТ = 1,2 мс
? Скорость нарастания выходного	VU.ВЫХ = 4,58 В/мс

Рисунок 10.4 - Осциллограмма выходного напряжения схемы

4. Исследование инвертирующего усилителя

Принцип действия инвертирующего усилителя. Данная аналоговая схема считается наиболее простой и часто используемая в электронике. Рабочие действия ОУ заключаются в усилении либо снижении сигнала на входе устройства, при этом он способен выполнять фазовую модуляцию.

Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например Roc ? 200 кОм и R1 ? 5 кОм, между выходом и инвертирующим входом и соединив вход Н с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (Рисунок 5a) с фиксированным коэффициентом усиления, амплитудная характеристика которого ивых =f(uвх) изображена на Рисунке 5б, где Uсм-- напряжение смещения при uвых = 0.

Рисунок 5. - Инвертирующий усилитель и его амплитудная характеристика

Можем построить инструментальный прибор, который будет автоматически изменять усиление и диапазоны, чтобы всегда иметь наилучшее разрешение при измерении.

Еще одним преимуществом инструментального усилителя является его высокое входное сопротивление, так как сигналы мы подаем прямо на входы микросхем, не обременяя их дополнительными резисторами. Данный вид усилителя также имеет очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR), то есть хорошо подавляет общий сигнал, усиливая только разницу между входными сигналами.

Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансомсом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R₁ как правило, бывает небольшим.

Давайте теперь рассмотрим граничные случаи этого усилителя.

Допустим, величина сопротивления резистора R₂=0 Ом. При этом мы получим, что коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности. На самом деле, конечно, это хоть и очень большая, но все-таки конечная величина, она обычно приводится в документации на микросхему конкретного операционного усилителя. С другой стороны, величина выходного напряжения реального операционного усилителя даже при бесконечно большом коэффициенте усиления не может быть бесконечно большой: она ограничена напряжением питания микросхемы. На практике она зачастую даже несколько меньше, за исключением некоторых типов усилителей, которые отмечены как rail-to-rail. Но в любом случае не рекомендуется загонять операционные усилители в предельные состояния: это приводит к насыщению их внутренних выходных каскадов, нелинейным искажениям и перегрузкам микросхемы. Поэтому данный предельный случай не несет какой-то практической пользы.

Гораздо больший интерес представляет собой другой предельный случай, когда величина сопротивления R1=0 Ом.

Включение операционного усилителя по схеме повторителя - это предельный случай неинвертирующего усилителя, когда один из резисторов имеет нулевое сопротивление. Схема повторителя приведена на рисунке ниже.

Рисунок 6. - Схема повторителя

Коэффициент передачи для повторителя равен единице, то есть выходной сигнал в точности повторяет входной. Зачем же вообще нужен операционный усилитель в таком случае? Он выступает в роли буфера, обладая высоким входным сопротивлением и маленьким выходным. Когда это бывает нужно? Допустим, мы имеем какой-то источник сигнала с большим выходным сопротивлением и хотим этот сигнал без искажения передать на относительно низкоомную разгрузку. Если мы это сделаем напрямую, без каких бы то ни было буферов, то неизбежно потеряем какую-то часть сигнала.

Убедимся в этом с помощью моделирования схемы со следующими основными параметрами:

выходное сопротивление источника сигнала 10 кОм;

cопротивление нагрузки 1 кОм;

частота входного сигнала F=100 кГц;

амплитуда входного сигнала V_{вых. mах}= 0,1 В;

постоянная составляющая входного сигнала V_вх.= 0,2 В.

Вместо повторителя на операционном усилителе можно также использовать и эмиттерный повторитель на транзисторе, не забывая, однако, про присущие ему ограничения.

Существует ряд правил для операционных усилителей.

Правило №1 -- операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Правило №2 -- входы усилителя не потребляют ток.

Правило №3 -- напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

Лабораторная работа № 11. Исследование инвертирующего усилителя

Цель работы

1. Изучение схемы включения ОУ и назначения ее элементов.

2. Измерение и расчет коэффициента усиления инвертирующего усилителя на ОУ.

3. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением инвертирующего усилителя на ОУ.

4. Исследование динамических характеристик инвертирующего усилителя на основе ОУ.

5. Исследование влияния коэффициента усиления схемы, на постоянную составляющую выходного напряжения инвертирующего усилителя.

Приборы и элементы

Осциллограф - группа Instruments

Боде-плоттер - группа Instruments

Функциональный генератор - группа Instruments

Операционный усилитель LM741 - группа Analog ICs

Резисторы - группа Basic

Эксперимент 1. Исследование работы инвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Рисунок 11.1 - Принципиальная схема исследуемого каскада

Коэффициент усиления схемы (расчет)	KU = -100
? Амплитуда входного напряжения (измерение)	UВХ = 4,85 мВ
? Амплитуда выходного напряжения (измерение)	UВЫХ =- 399,4 мВ
? Коэффициент усиления схемы (расчет по результатам измерений)	KU = -82,35
? Напряжение смещения (по результатам расчетов)	UСМ = 4,86 мВ
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	UO.ВЫХ = - 400 мВ
? Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение)	UO.ВЫХ = - 398 мВ
? Разность фаз (измерение)	??= 180°
? Верхняя граничная частота усилителя (измерение)	fВЧ = 40,00 дБ
R1 = 1кОм, R2 = 100 кОм	R1 = 1кОм, R2 = 100 кОм

а) б)

Рисунок 11.2 - АЧХ (а) и ФЧХ (б) инвертирующего усилителя на ОУ

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров элементов схемы на её характеристики напряжения (измерение)

? Коэффициент усиления схемы по напряжению (расчет)	KU = - 10
? Амплитуда входного	UВХ = 99,8 мВ
? Амплитуда выходного напряжения (измерение)	UВЫХ = - 981,13 мВ
? Коэффициент усиления схемы по напряжению (расчет по результатам измерений)	KU = - 9,83
? Напряжение смещения (по результатам расчетов)	UСМ = 97,95 мВ
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	UO.ВЫХ = -979,5 мВ
? Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение)	UO.ВЫХ = 98 мВ
? Разность фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами на частоте 1кГц (измерение)	??= 180°
? Верхняя граничная частота усилителя (измерение)	fВЧ = 20 дБ
R1 = 1кОм, R2 = 10 кОм	R1 = 1кОм, R2 = 10 кОм

Размещено на http://www.allbest.ru/

52

2

а)	б)

Рисунок 11.3 - АЧХ (а) и ФЧХ (б) неинвертирующего усилителя на ОУ

Эксперимент 3. Измерение времени нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя

? Выходное напряжения UВЫХ = - 500 мВ (измерение) напряжения (расчет по результатам измерений)

Рисунок 11.4 - Осциллограмма выходного напряжения схемы

? Время установления выходного напряжения (измерение)	tУСТ =1 мс
? Скорость нарастания выходного	VU.ВЫХ = - 500 В/с

5. Исследование инвертирующего сумматора на ОУ

В общем смысле слова, сумматор - это какое-либо устройство, которое что-либо суммирует и выдает на выходе сумму этих воздействий. Сумматор можно представить в виде какого-либо неизвестного нам ящика, на который поступает входные воздействия и на выходе такого ящика выдается их сумма.

Рисунок 7. Математическое представление о сумматоре

Инвертирующий сумматор может быть также использован как усилитель с широким диапазоном изменения нулевой точки. Для этого на один из входов схемы подают постоянное напряжение.

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет знак на обратный.

Схема алгебраического сумматора на два входа:

Рисунок 8. Схема алгебраического сумматора на два входа

Если R_вх ОУ достаточно велико и ток смещения пренебрежительно мал по сравнению с током обратной связи (ОС), то по закону Кирхгофа :

I₁+ I₂= I_ос (8)

Если коэффициент усиления без ОС также достаточно велик, так что U_д= 0, то

; ; ; R₁= R₂= R_ос= R, (9)

тогда

, U₁+ U₂= - U_вых или U_вых= -( U₁+ U₂). (10)

Для n- входов

U_вых = - ( U₁+ U₂+ ... + U_n) , (11)

где n- число входов.

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях.

Лабораторная работа № 12. Исследование инвертирующего усилителя

Цель работы

1. Анализ работы схемы суммирующего усилителя на ОУ.

2. Исследование суммирования двух постоянных входных напряжений.

3. Исследование суммирования постоянного и переменного входного напряжения.

4. Исследование суммирования двух переменных входных напряжений.

Приборы и элементы

Мультиметр - группа Instruments

Амперметр - группа Instruments

Осциллограф - группа Instruments

Функциональный генератор - группа Instruments

Источник постоянного напряжения - группа Sources

Операционный усилитель LM741 - группа Analog ICs

Резисторы - группа Basic

Эксперимент 1. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянных напряжений

а) Измерение токов и напряжения в исследуемой схеме

Рисунок 12.1 - Принципиальная схема инвертирующего сумматора

? Ток первого суммируемого сигнала (измерение)	I1 = 1 мА
? Ток второго суммируемого сигнала (измерение)	I2 = 599,8 мкА
? Общий ток суммируемых сигналов (измерение)	I =1,6 мА
? Ток в цепи отрицательной обратной связи (измерение)	IOC = 1,6 мА
? Выходное напряжение сумматора (измерение) б) Расчет токов и напряжений исследуемой схемы	UВЫХ= -7,9965 В
? Напряжение первого суммируемого сигнала	U1 = 5 В
? Напряжение второго суммируемого сигнала	U2 = 3 В
? Ток первого суммируемого сигнала (расчет)	I1 = 1 мА
? Ток второго суммируемого сигнала (расчет)	I2 = 0,6 мА
? Общий ток суммируемых сигналов (расчет)	I =1,6 мА
? Ток в цепи отрицательной обратной связи (расчет)	IOC = 1,6 мА
? Выходное напряжение сумматора (расчет)	UВЫХ= - 8 В

Эксперимент 2. Исследование работы схемы в режиме суммирования постоянного и переменного напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

Рисунок 12.2 - Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования постоянного и переменного напряжения при R2 = 5 кОм

? Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение)	U0ВЫХ = - 1,98 В
? Амплитуда переменной составляющей выходного напряжения (измерение)	UВЫХ= - 1,98 В

б) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения в исследуемой схеме напряжения (расчет)

? Амплитуда напряжения первого суммируемого сигнала	U1 = 1 В
? Напряжение второго суммируемого сигнала	U2 = 1 В
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	U0ВЫХ = - 2 В
? Амплитуда переменной составляющей выходного	UВЫХ= - 2 В

в) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в схеме при изменении параметров ее элементов

Рисунок 12.3 - Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования постоянного и переменного напряжения при R2 = 5 кОм

? Постоянная составляющая выходного напряжения (измерение)	U0ВЫХ = - 1,998 В
? Амплитуда переменной составляющей выходного напряжения (измерение)	UВЫХ= - 2,97 В

г) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения схемы при изменении параметров ее элементов

? Амплитуда напряжения первого суммируемого сигнала	U1 = 1 В
? Напряжение второго суммируемого сигнала	U2 = 1 В
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	U0ВЫХ = - 2 В
? Амплитуда переменной составляющей выходного напряжения (расчет)	UВЫХ= - 4 В

Эксперимент 3. Исследование работы схемы в режиме суммирования переменных напряжений

а) Снятие осциллограмм и измерение напряжений в исследуемой схеме

Рисунок 12.4 - Осциллограммы сигналов схемы для случая суммирования постоянного и переменного напряжения при R2 = 2,5 кОм

• Амплитуды входных напряжений (измерение) U1 = U2 = - 993 мВ

• Амплитуда переменной составляющей UВЫХ= -1 В выходного напряжения (измерение)

б) Расчет постоянной составляющей и амплитуды выходного напряжения схемы при изменении параметров ее элементов выходного напряжения (расчет)

? Амплитуда напряжения первого суммируемого сигнала	U1 = 1 В
? Напряжение второго суммируемого сигнала	U2 = 1 В
? Постоянная составляющая выходного напряжения (расчет)	U0ВЫХ = - 4 В
? Амплитуда переменной составляющей	UВЫХ= - 4 В

6. Сварочный инвертор

Устройство сварочного инвертора

Инверторный сварочный аппарат - это аппарат с инверторным источником питания, преобразующим переменное напряжение сети в напряжение и ток для сварки. Основными компонентами инверторного источника питания обычно являются:

· сетевой выпрямитель, преобразующий входное переменное напряжение в постоянное;

· инвертор, преобразующий далее постоянное входное напряжение в переменное высокой частоты;

· высокочастотный трансформатор, понижающий напряжение, преобразованное инвертором;

· выходной высокочастотный выпрямитель;

· сглаживающий дроссель.

В инверторном сварочном аппарате сила сварочного тока нужной величины достигается путем преобразования высокочастотных токов, а не путем преобразования ЭДС в катушке индукции как это происходит в трансформаторных аппаратах. Предварительные преобразования электрических токов позволяют использовать трансформатор с очень малыми габаритами. К примеру, чтобы получить в инверторе сварочный ток 160А достаточно трансформатора вес, которого 250 г, а на обычных сварочных аппаратах необходим медный трансформатор с весом 18 кг.

Принцип работы сварочного инвертора

Переменный ток от потребительской сети, частотой 50 Гц, поступает на выпрямитель. Выпрямленный ток сглаживается фильтром, затем полученный постоянный ток преобразуется инвертором с помощью специальных транзисторов с очень большой частотой коммутаций в переменный, но уже высокой частоты 20-50 кГц. Затем переменное напряжение высокой частоты понижается до 70-90 В, а сила тока соответственно повышается до необходимых для сварки 100-200 А. Высокая частота является основным техническим решением, которое позволяет добиться колоссальных преимуществ сварочного инвертора, если сравнивать с другими источниками питания сварочной дуги.

Преимущества и недостатки сварочных инверторов

Главным достоинством инвертора является минимальный вес. Кроме того возможность применять для сварки электроды как переменного, так и постоянного тока. Что важно при сварке цветных металлов и чугуна. Инверторный сварочный аппарат имеет широкий диапазон регулировки сварочного тока. Это дает возможность для применения аргонодуговой сварки неплавящимся электродом.

Помимо этого в каждом инверторе есть функции: «Hot start» (горячий старт) для поджига электрода подаются максимальная величина тока, «Anti-Sticking» при коротком замыкании сварочный ток снижается до минимума, что не позволяет электроду залипать при соприкосновении с деталью, «Arc Force» - для предотвращения залипания в момент отрыва капли металла ток возрастает до оптимального значения.

Из недостатков сварочных инверторов можно назвать высокую стоимость (в 2 - 3 раза больше, чем у трансформаторов). Как и любая электроника, инверторы боятся пыли, поэтому производители рекомендуют хотя бы раза два в год вскрывать аппарат и удалять пыль. Если он работает на стройке или производстве, то чаще, по мере загрязнения. И как любая электроника сварочные инверторы не любят мороза. Так при температуре ниже -15оС эксплуатация инвертора возможна не во всех случаях, в зависимости от того, какие детали использовал производитель. Поэтому в таких условиях, нужно смотреть на технические характеристики, заявленные заводом-изготовителем. И еще одно, длина каждого из сварочных кабелей при подключении сварочного аппарата не должна превышать 2,5 метра, но к этому нужно просто привыкнуть.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы достигнута цель - исследована работа усилителей. Проведен анализ транзисторных усилителей. Дана характеристика операционного усилителя. Исследованы схемы работы неинвертирующего, инвертирующего усилителя и инвертирующего сумматора на ОУ.

На сегодняшний день существует более сотни разных видов усилителей. Описать их все практически невозможно. В своей работе, мы лишь обозначили основные пути построения принципиальных схем усилителей.

транзисторный усилитель сумматор инвертор

Список используемых источников

1. М.Г. Захаров, Методические указания по выполнению лабораторных работ «Электроника и микропроцессорная техника», 2012 - 231 с.;

2. А.Н. Шишлов, С.В. Лебедев, Теория автомобилей: учебнопрактическое пособие для автомобильных колледжей. М.: ГБПОУ КАТ №9, 2018. - 174 с.;

3. В.К. Вахламов, Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя. По ред. А.А. Юрчевский. - 2-е издание - М.: «Академия», 2005. - 816 с.;

4. Б.А. Шароглазов, М.Ф. Фарафонтов, В.В. Клементьев, Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов. М.:ЮУрГУ 2005 - 404 с.;

5. В.Х. Пшихопов, Л.С. Веревкина, А.Л. Веревкин. Учебное пособие. «Проектирование электротехнических устройств. Часть 1. Стадии проектирования. Техническое задание» - Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2013.-50с.; Акселератор [Электронный ресурс];

6. Виды двигателей [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://avtodvigateli.com/vidy/vidy-dvs.html свободный (дата обращения 17.06.2021);

7. Онлайн - учебник по устройству автомобиля [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://monolith.in.ua/structure-avto/ свободный (дата обращения 17.06.2021);

8. Устройство автомобилей [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://1avtorul.ru/ustrojstvo-avtomobilya.html свободный (дата обращения 17.06.2021);

10. Электронное устройство управления педалью акселератора [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://elm3.ru/wiki/elektronnaja-pedalgaza свободный (дата обращения 20.06.2021);

11. Электронное устройство управления педалью акселератора [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=54500 свободный (дата обращения 20.06.2021);

12. Электронное устройство управления педалью акселератора [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://voditeliauto.ru/poleznayainformaciya/to-i-remont/elektronnaya-pedal-gaza.html свободный (дата обращения 20.06.2021);

13. Устройство двигателя [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://tezcar.ru/u-dvig-ustr.html свободный (дата обращения 17.06.2021).

Размещено на Allbest.ru

...