Основы электроники 1. Цель работы — теоретическое изучение операционного усилителя ( ОУ ); — экспериментальное исследование двухкаскадного усилителя на базе ОУ. 2. Основные теоретические положения Операционным усилителем называется интегральная микросхема, представляющая собой усилитель постоянного тока с параметрами, приближающимися к идеальным. Это — очень высокий коэффициент усиления (сотни тысяч), практически бесконечно большое входное и малое ( десятки Ом ) выходное сопротивление, устойчивость к воздействию помехи и др. Частотная характеристика ОУ не имеет резкого спада в области низких частот, а верхняя граничная частота имеет достаточно большое значение (сотни мегагерц). ОУ строится по двух- или трехкаскадной схеме. Входным каскадом ОУ является балансный дифференциальный усилитель, имеющий два сигнальных входа. Питание ОУ осуществляется, как правило, от двух разнополярных источников питания одинакового напряжения. Условное обозначение ОУ представлено на рис. 1. рис. 1. Верхний на рисунках вход ОУ называется неинвертирующим входом (при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе совпадает с фазой входного), а нижний — инвертирующим входом (при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе противоположна фазе входного ). Поскольку коэффициент усиления собственно ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал “шума” на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения). Наиболее типичные схемы усилителя на базе ОУ имеют вид, представленный на рис. 2. Коэффициенты усиления таких усилителей определяются параметрами цепи ООС и формулы для их вычисления приведены на рисунке. рис. 2 Амплитудные передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителей с обратной связью представлены на рис. 3. (соответственно 3-а и 3-б ). рис. 3 Наклон рабочего участка характеристики определяется, очевидно, коэффициентом ( К ) усиления каскада. На характеристиках имеются ярко выраженные участки насыщения, которые характеризуются тем, что, начиная с некоторого значения входного напряжения Uвх max , выходное напряжение не увеличивается, а остается постоянным на уровне некоторого значения нас , которое определяется напряжением питания микросхем ОУ. Обычно нас меньше напряжения питания п на ( 1 — 3 В). При усилении переменного напряжения участок насыщения проявляет себя тем, что амплитуда выходного напряжения не увеличивается, а остается на уровне нас , и появляются нелинейные искажения, возрастающие с ростом входного сигнала, ( рис. 4. ). рис.4 3. Описание объекта и средств исследования. Схема лабораторной установки представлена на рис. 5. рис.5 3.1. Предметом исследования в настоящей лабораторной работе является двухкаскадный усилитель, собранный на ОУ - микросхемах ДА1 и ДА2 — К 140УД8А. Значения резисторов схемы: R1 = R2 = R4 = R5 = 2.2 кОм; R3 = R6 = 10 кОм. ОУ питаются от источника симметричного напряжения: 10 В. В схеме предусмотрены контрольные точки для визуализации и измерения сигналов: 1) на входе усилителя “ГС1” , 2) на выходе первого — входе второго каскадов “Вх1” , 3) на выходе усилителя “Вх2” . 3.2. Усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается на усилитель от измерительного генератора типа ЛЗ1. Для этого на генераторе, установленном на лабораторном стенде слева, необходимо нажать клавишу “ ~ “ под надписью “род работы “ и снимать сигнал с выхода “10V” , соединив его кабелем с гнездами “вход ГС1“ лабораторного стенда. Изменение уровня выходного сигнала осуществляется ручкой “уровень“. В генераторе не предусмотрено измерение выходного сигнала для установления его значений. Поэтому для установки заданной величины выходного сигнала следует пользоваться дополнительными измерительными приборами (здесь: Н3014). Частота генератора задается с помощью кнопочного переключателя “множитель“ и ручки плавного изменения частоты — “частота“. При этом частота сигнала определяется по показанию светового индикатора по шкале “кГц” и значению одного из множителей: ( 0.01 — 100 ). 3.3. Наблюдение и измерение сигналов на входе и выходе усилителя осуществляется с помощью осциллографического мультиметра Н3014. 3.3.1. Мультиметр может подключатся попеременно к трем контрольным точкам схемы: “ГС1” , “Вх1” и “Вх2” . Примечание. Обозначение контрольных точек обусловлено конструкцией лабораторного стенда и никакой смысловой нагрузки в контексте настоящей лабораторной работы не несет ! Вход “Y” мультиметра соединяется кабелем с гнездами “выход V~” на лабораторном стенде, а подключение его к контрольным точкам осуществляется нажатием кнопок “ГС1”, “Вх1” и “Вх2” под надписью “контроль V~” лабораторного стенда. При этом следует убедиться, что кнопка “ВСВ / ВНК” под надписью “коммутатор”: левая — нажата, правая — отжата. 3.3.2. Измерение сигнала с помощью мультиметра производится по устойчивому изображению этого сигнала на экране мультиметра с помощью двух маркерных знаков, которые появляются на экране при нажатой кнопке рода измерения “~V” и отжатой кнопке “N”. Маркеры представляют собой две яркие точки, расположенные одна под другой по вертикали. Маркеры перемещаются в направлении: слева-направо — ручкой “ ” сверху-вниз — ручкой “ “ Расстояние по вертикали между маркерами изменяется ручкой “ V , t “ и измеряется в вольтах на “встроенном” в экран цифровом табло, местоположение и размер которого регулируются ручками “ ” , “ ” и “N " . Таким образом, если изображение исследуемого сигнала с маркерными знаками на нем выглядит, например, так: то двойная ампитула сигнала 2Um = 4.52 В, т.е. Um = 2.26 В или действующее значение . Примечание: Можно, конечно, сразу установить маркерные знаки между точками, характеризующими действующее значение синусоидального напряжения, но точность измерения при этом очень низкая. 3.3.3. Получение устойчивого изображения сигнала на экране мультиметра осуществляется ручками: “t” и “стаб.” (при этом в данной лаболаторной работе кнопки “IMS” и “x10” — нажаты, а с увеличением частоты следует отжимать кнопку “x10”). 3.3.4. Установка изображения в пределах экрана по вертикали осуществляется ручками “ ~”, “ ~ “ и кнопочным переключателем “1” , “100” и “1000”. Числовое значение у нажатой кнопки показывает предел измерения величины сигнала по цифровому табло на экране. 4. Порядок выполнения работы. 4.1. Снятие передаточной ( амплитудной ) характеристики усилителя. 4.1.1. Установить на генераторе Л31 частоту выходного сигнала = 1 кГц. 4.1.2. Подключить мультиметр к выходу генератора ( клемма “ГС1” ) ; получив на экране устойчивое изображение сигнала с генератора (см. пункт 3.3.3.) и измерив его , установить на его выходе с помощью ручки “уровень” 2Um ген= 0.1B = 2Um вх . 4.1.3. Переключить мультиметр на выход первого каскада усилителя (“Вх1”) и, установив изображение в пределах экрана ручками управления мультиметра (см. пункт 3.3.4.), измерить значение напряжения : 2Um I . 4.1.4. Переключить мультиметр на выход усилителя (“Вх2”) и измерить значение напряжения 2Um вых . 4.1.5. Повторить п.п. 4.1.2. — 4.1.4. для ряда значений 2Um вх из табл. 1 и данные измерений занести в эту таблицу. Таблица 1 2Um вх (В) 0.1 0.5 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0 2Um (В) 2Um вых (В) 4.1.6. По результатам измерений построить г рафик зависимости Um вых = f ( Um вх ) и определить диапазон входных напряжений : Um вх мин = Um вх = Um вх макс , соответствующий рабочему участку характеристики. 4.1.7. В пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя определить по экспериментальным данным коэффициенты усиления каждого каскада усилителя в отдельности и усилителя в целом и сравнить их с ожидаемыми, полученными в результате расчета по данным схемы усилителя (рис. 3.1.) . 4.2. Снятие амплитудно-частотной характеристики ( АЧХ ) усилителя. 4.2.1. Установить на выходе генератора — входе усилителя напряжение 2Um вх в пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя (мультиметр подключен к точке “ГС1”) . 4.2.2. Измерить напряжение на выходе усилителя “2Um вых” с помощью мультиметра ( мультиметр подключен к точке “Вх2” ) для различных значений частоты входного сигнала ( устанавливаемой так, как это описано в пункте 3.2.), взятых из таблицы 2. Результаты измерения занести в таблицу 2. таблица 2 F ( Гц) 20 100 1000 2*103 10*103 20*103 100*103 200*103 300*103 2Uвых (В) К К / К0 2Um вх = . . . 4.2.3. Рассчитать значения К и К / К0 и занести их в таблицу 2 ( К0 — значение коэффициента усиления на частоте 20 Гц ) . 4.2.4. Построить график зависимости : и определить рабочую полосу частот усилителя для коэффициента частотных искажений М = 3 дб. 4.3. Сделать выводы по проделанной работе, исходя из результатов измерений. 5. Содержание отчета 1. Название и цель работы. 2. Схема лабораторной установки. 3. Таблицы измерений. 4. Формулы для расчета и расчет искомых параметров. 5. Выводы по работе. 6. Контрольные вопросы 1. Что называется операционным усилителем ? 2. Каков порядок величин основных параметров ОУ ? 3. Сколько и какие входы у ОУ ? Почему они так называются ? 4. Чем объясняется необходимость введения отрицательной обратной связи в схемах усилителей на базе ОУ ? 5. Какова нижняя граница частотного диапазона работы ОУ ? 6. Чем определяется коэффициент усиления на базе ОУ ? 7. Какими параметрами усилителя на базе ОУ определяется диапазон входного напряжения усилителя ? 8. Чем определяется максимальное значение напряжения на выходе ОУ? 7. Список рекомендуемой литературы. 1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М. : Высшая школа, 1982. 2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. I, II: Пер. с. англ. / Под. ред. М.В. Гальперина — М. : Мир., 1983. 3. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова — М. : Высшая школа , 1986. 4. Щербаков В.И., Гредов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. — Киев : Техника, 1983. 8 1. Цель работы Исследование возможности ступенчатого изменения коэффициента усиления усилителя на ОУ в некоторых пределах с заданием величины его в виде цифрового кода. 2. Основные теоретические положения. Как известно, коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 2.1.) определяется выражением: К = Roc / Rвх , ( 1 ) рис. 1. Для изменения коэффициента усиления, очевидно, необходимо изменение значения сопротивления входной цепи Rвх или сопротивления цепи обратной связи Rос или обоих вместе. Включив в схему усилителя в качестве сопротивлений Rвх и Rос ступенчато, предусмотрев для этого группы резисторов так, как это показано, например, на рис. 2. рис. 2. Здесь сопротивление Rвх может принимать значение сопротивления R1 либо R2, либо R1+R2 в зависимости от того, замкнуты или разомкнуты ключи SA1 и SA2. Аналогично и с сопротивлением в цепи обратной связи, где его значение определяет уже состояние ключей SA3 и SA4. И если теперь состоянию “замкнуто” ключей присвоить символ “0”, а “разомкнуто” — “1”, то каждому из ряда значений коэффициентов усиления будет соответствовать свой четырехсимвольный цифровой код, читаемый слева-направо для ключей SA1 - SA2 соответственно. Так, например, код 0101 будет соответствовать коэффициенту усиления К, определяемому выражением: K = R5 / R2 , или код “1111” - К = ( R4 + R5 ) / ( R1 + R2 ) , или код “1011” - К = ( R4 + R5 ) / R1 . И, наконец, если ключи SA1 - SA2 выполнить не механическими, как это показано на рис. 1., а электрическими, то требуемый коэффициент усиления можно задавать на ЭВМ, в виде указанного двоичного кода. 3. Описание объекта и средств исследования Электрическая принципиальная схема исследуемого в лабораторной работе усилителя представлена на рис 3. рис. 3. 3.1. Схема включает в себя: ОУ-ДА (микросхема КР140УД8А), а резисторы R1 - R4 входной цепи и цепи обратной связи, электронные ключи на полевых транзисторах VT1 и VT2 (КП103Л), кнопки SA1 и SA2 задания цифрового кода. 3.2. Значения резисторов схемы: R1 = 2 кОм, R2 = R3 = 16 кОм, R4 = 18 кОм. 3.3. Кнопками А1 и А2 имитируются символы “0” или “1” цифрового кода. Причем подача на затвор транзисторов с каналом р-типа напряжения +5В соответствует символу “1”, а 0В ( ) — символу “0”. Кнопки SA1 и SA2 расположены на передней панели блока управления К32 в левой части под надписью “Программатор кодов”. Нажатие кнопки соответствует подаче символа “1” ( при этом загорается светодиод около кнопки ), отжатое состояние — символ “0” (светодиод погашен ). 3.4. Сигнал на вход усилителя подается с измерительного генератора Л31. Для этого надо соединить дополнительным проводом гнездо на передней панели “ГС1” с гнездом на плате “XS1”, а кнопку “ВсВ / ВнК” над гнездом “ГС1” и аналогичную кнопку в поле надписи “ГН1” на передней панели К32 нажать. 3.5. Сигналы на входе и выходе усилителя измеряются с помощью осциллографического мультиметра Н3014 так, как это делалось при проведении предыдущей лабораторной работы на этом стенде. Мультиметр подключается по входу усилителя при нажатии кнопки “ГС1” под надписью “Контроль V ~ ” и к его выходу при нажатии кнопки “ВХ2” (при этом правая кнопка “ВсВ / ВнК” под надписью “Коммутатор” должна быть отжата. 4. Порядок выполнения работы. 4.1. Расчетная часть. 4.1.1. Пользуясь значениями сопротивления резисторов R1 - R4, приведенными в пункте 3.2., и формулой ( 1 ), рассчитать значения коэффициента усиления усилителя, которые может обеспечить усилитель по схеме, приведенной на рис. 3.1. 4.1.2. Пользуясь сведениями и раздела 2 поставить в соответствие полученным значениям коэффициента усиления цифровые коды из символов “0” и “1”, соответствующих состоянию кнопок SA1 и SA2 (см. п. 3.3.). Полученные результаты занести в таблицу 1. таблица 1 Красч. 1 Код 10 4.2. Снять передаточную характеристику усилителя. 4.2.1. Установить, задавая цифровой код кнопками SA1 и SA2, значение коэффициента усиления усилителя приблизительно из середины диапазона его изменения. 4.2.2. Установить на выходе генератора синусоидальный сигнал частотой F = 1 кГц. 4.2.3. Изменяя значение напряжения на входе усилителя и пользуясь указаниями п. 3.6., снять передаточную характеристику Um вых = f ( Um вх ) и результаты занести в таблицу 2. таблица 2. Um вх (В) 0.1 0.4 . . . 1.2 1.4 . . . 2 Um вых (В) 4.2.4. По результатам измерений построить график зависимости Um вых = f ( Um вх ). 4.3. Экспериментально определить значения коэффициентов усиления усилителя и сравнить их с расчетными значениями, полученными при выполнении п. 4.1.1. Для этого: 4.3.1. Устанавливая кнопками SA1 и SA2 значения коэффициента усиления усилителя при напряжении на входе Um вх = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя Um вых . Результаты измерений занести в таблицу 3. таблица 3. Красч. Код Um вх (В) Um вых (В) Кэксп. 1 “10” 0.5 0.5 0.5 0.5 4.4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя. 4.4.1. Установить максимальный коэффициент усиления усилителя и, изменяя частоту входного сигнала при постоянном входном напряжении Um вх = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя. Данные измерений занести в таблицу 4. таблица 4. F (кГц) 0.02 0.05 . . . 1 . . . 20 . . . 300 400 Um вых (B) K K / K0 где К0 — коэффициент усиления на минимальной частоте. 4.4.2. Построить график амплитудно-частотной характеристики. 5. Содержание отчета 1. Название и цель работы лабораторной работы. 2. Схема электрическая принципиальная исследуемого усилителя. 3. Таблицы с данными. 4. Графики характеристик. 5. Выводы по работе. 6. Контрольные вопросы 1. Чем определяется коэффициент усиления усилителя на ОУ ? 2. Каковы способы регулировки коэффициента усиления усилителя ? 3. Как работает простейший электронный ключ на полевом транзисторе ? 4. При подаче каких напряжений полевой транзистор с каналом р-типа открыт ( закрыт ) ? 5. Изобразите передаточную характеристику полевого транзистора с ка налом р-типа. 6. Объясните ход АЧХ усилителя на ОУ. 7. Список рекомендуемой литературы. 1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М. : Высшая школа, 1982. 2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. I, II: Пер. с. англ. / Под. ред. М.В. Гальперина — М. : Мир., 1983. 3. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова — М. : Высшая школа , 1986. 4. Щербаков В.И., Гредов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. — Киев : Техника, 1983. 5 1. Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование выпускаемого промышленностью аналогового компаратора электрических сигналов типа К5554 СА2. 2. Основные теоретические