Задание и порядок выполнения работы

3.1. Задание 1. Исследование усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе (ОЭ).

Схема усилителя с общим эмиттером приведена на рис. 21. Обратная связь усилителя подключается или отключается переключателем B. Выходной сигнал усилителя снимается с коллектора и через разделительные конденсаторы емкостью С1= 1 МкФ или С2=0, 1 МкФ подается в нагрузку. Подключение того или иного конденсатора производится ключом A.

Рис. 21. Схема моделирования усилителя с общим эмиттером.

Синусоидальный сигнал на вход усилителя подается с выхода функционального генератора (рис. 22).

Рис. 22. Функциональный генератор.

Как можно заметить, генератор обеспечивает формирование сигналов трех видов (синусоидального, треугольного и прямоугольного) с любой амплитудой, частотой и скважностью. Нужный параметр легко вводится в рабочем поле генератора.

Выходной сигнал усилителя измеряется вольтметром или осциллографом. Осциллографом также можно контролировать момент наступления существенных нелинейных искажений в выходном сигнале (рис. 23).

Рис. 23. Виртуальный осциллограф.

Измерение частотной характеристики усилителя производится с помощью анализатора (рис. 24).

Рис. 24. Виртуальный анализатор спектра, амплитудно-частотная характеристика.

Представленный рисунок отображает амплитудно-частотную характеристику (Magnitude) усилителя. По вертикальной оси откладывается коэффициент усиления в линейном масштабе. Начальная точка оси (I) в данном случае установлена равной нулю, а конечная (F) – равной 500. Масштаб по горизонтальной оси – логарифмический с начальной точкой 1 Гц и конечной 1 ГГц. Перемещая мышью вертикальную линейку по оси частот можно измерять коэффициент усиления на любой частоте. В частности, на рис. 24 вертикальная линейка установлена на частоте 28.48 кГц и показывает, что усиление на этой частоте равно 197.

Для измерения фазо-частотной характеристики необходимо в рабочем поле анализатора мышью активизировать клавишу Phase (рис. 25).

Рис. 25. Виртуальный анализатор спектра, фазо-частотная характеристика.

Здесь видно, что при начале вертикальной оси в точке -270 градусов и окончании в точке 90 градусов на той же частоте 28.48 кГц фазовый сдвиг равен -179.9 градуса.

3.1.1. Исследовать влияние величины входного напряжения на величину и форму напряжения нагрузке усилителя при постоянной частоте f входного сигнала для двух случаев:

1) без обратной связи по переменному току;

Для этого необходимо:

а) Открыть файл 23lab1.ewb – усилитель с общим эмиттером https://hoster.bmstu.ru/~fn7/vl.html;

б) раскрыть функциональный генератор и установить синусоидальный сигнал с частотой f =1000 Гц;

в) замкнуть переключатель B (без обратной связи) и подключить переключателем А разделительный конденсатор C1= 1 мкФ;

г) активизировать схему (тумблер в правом верхнем углу экрана) и изменяя амплитуду входного сигнала в соответствии с таблицей 1 измерять вольтметром действующее значение выходного напряжения. Результаты измерение занести в таблицу 1;

Таблица 1

д) построить амплитудную характеристику усилителя. Для получения амплитудного значения необходимо данные таблицы умножить на 1, 41. Результат отобразить на графике;

е) определить по амплитудной характеристике на начальном линейном участке коэффициент усиления по напряжению ;

ж) определить по амплитудной характеристике начало участка насыщения, установить входное напряжение соответствующее этой точке, активизировать осциллограф и убедиться в наличии нелинейных искажений на осциллограмме.

2) с отрицательной обратной связью по переменному току.

Разомкнуть переключатель B (ввести обратную связь). Изменяя в соответствии с таблицей 2 измерять выходное напряжение .

Таблица 2

Далее проделать те же измерения, что и в случае без обратной связи, а амплитудную характеристику отобразить на графике.

Сравнить коэффициенты усиления по напряжению на линейных участках амплитудных характеристик.

3.1.2. Исследовать влияние на полосу пропускания усилителя емкости разделительных конденсаторов и ООС.

Для этого необходимо:

а) установить конденсатор С1=1 мкФ и замкнуть B (усилитель без ОС);

б) активизировать схему и анализатор. Перемещая линейку в рабочем поле анализатора, найти коэффициент усиления усилителя на средних частотах (примерно 10000 Гц);

в) перемещая линейку в сторону низких частот, найти частоту при которой коэффициент усиления падает в 1.41 раз по сравнению с ;

г) перемещая линейку в сторону высоких частот, найти частоту при которой коэффициент усиления падает в 1.41 раз по сравнению с ;

д) занести значения , нижней и верхней граничных частот в таблицу 3. Определить полосу пропускания усилителя .

Провести аналогичные измерения при другом значении разделительного конденсатора C2=0, 1 мкФ, а далее разомкнуть B (с ООС) и измерить то же сначала при С1=1 мкФ а затем при C2=0, 1 мкФ. Результаты также отобразить в таблице 3.

Таблица 3

Режим		, Гц	, Гц	, Гц
Без ОС	С1=1 мкФ
С2=0, 1 мкФ
С ООС	С1=1 мкФ
С2=0, 1 мкФ

Сделать выводы о влиянии обратной связи и разделительных конденсаторов на граничные частоты и полосу пропускания.

3.2. Задание 2. Исследование инвертирующего усилителя напряжения низкой частоты

на базе операционного усилителя.

Исследовать зависимость коэффициента усиления усилителя от параметров цепи обратной связи и частоты входного сигнала.

Для этого необходимо:

а) открыть файл 23lab2.ewb – операционный усилитель https://hoster.bmstu.ru/~fn7/vl.html; (рис. 26);

б) подав на вход усилителя напряжение и f =1000 Гц, измерить значения выходных напряжений при двух крайних положениях переменного резистора R2 в цепи ООС.

Уменьшение сопротивления переменного резистора R2 осуществляется последовательным нажатием клавиши R на клавиатуре, а увеличение совместным нажатием Shift+R. По результатам эксперимента вычислить для двух случаев коэффициент усиления по напряжению и сравнить с величиной K _{U расч} = R_OC/R1, где R_OC = R2 + 100, кОм. Для получения амплитудного значения необходимо данные таблицы 4 умножить на 1.41. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 4.

Рис. 26. Схема моделирования операционного усилителя.

Таблица 4

Установлено	Измерено	Вычислено
	R OC, кОм
Эксперимент.	Расчетное

в) наблюдая форму выходного сигнала u _н(t) на экране осциллографа, определить значение входного напряжения , при котором наступают заметные искажения при двух крайних положениях переменного резистора R2;

г) активизировать анализатор и, перемещая измерительную линейку в его рабочем поле, определить , , и при двух крайних положениях резистора R2.

Результаты измерений занести в таблицу 5.

Сделать выводы о влиянии глубины обратной связи на граничные частоты и полосу пропускания операционного усилителя.

Таблица 5

Режим		, Гц	, Гц	, Гц
R2, min
R2, max

4. ПРИЛОЖЕНИЕ

4.1. Пример расчета режима покоя усилителя с общим эмиттером

Численные данные и методика расчета взяты из [4, 5].

Для усилительного каскада, схема которого приведена на рис. 3, заданы:

- тип транзистора - ГТ108А;

- напряжение источника питания ;

- ток покоя коллектора ;

- напряжение покоя эмиттер-коллектор ;

- сопротивление нагрузки .

Рассчитать сопротивления резисторов схемы. Принять и ток делителя .

РЕШЕНИЕ

При использовании транзистора p-n-p типа необходимо изменить полярность источника питания так, чтобы на коллектор подавался отрицательный потенциал. При этом направления токов и напряжений меняются на противоположные.

В статическом режиме входное напряжение отсутствует, и токи протекают только под действием источника питания . Сопротивление конденсаторов постоянному току равно бесконечности и поэтому схема каскада в этом режиме имеет следующий вид (рис. 27).

Уравнение статической линии нагрузки:

Учитывая, что

Откуда ток коллектора

Рис. 27. Расчет режима покоя.

При использовании значений тока в миллиамперах сопротивления получаются в

килоомах.

По полученному уравнению на выходных характеристиках транзистора ГТ108А

строим статическую линию нагрузки (рис. 28) по двум точкам: точка покоя А с

координатами и и точка отсечки

Входные характеристики Выходные характеристики

Рис. 28. Характеристики транзистора ГТ108А.

Подставляя в уравнение линии нагрузки численные значения, получаем

Так как по условию , то

Для контура – эмиттер – база – запишем уравнение по второму закону

Кирхгофа:

Точка покоя А лежит на выходной характеристике По входной

характеристике для этого тока базы получаем

Учитывая, что и получаем

Аналогично для контура

4.2. Пример выполнения виртуальной лабораторной работы.

Порядок выполнения лабораторной работы изложен в разделе 3. Здесь приведены измерения и графики, полученные в результате моделирования.

4.2.1. Усилитель с общим эмиттером.

Исследовать влияние величины входного напряжения на величину и форму напряжения нагрузке усилителя при постоянной частоте f входного сигнала.

Без обратной связи по переменному току.

Таблица 6

	690, 7

Коэффициент усиления, определенный по амплитудной характеристике на начальном линейном участке

Участок насыщения начинается с входного напряжения 35 мВ (уменьшается наклон характеристики). Резкое уменьшение усиления наблюдается при входном напряжении более 50 мВ.

Рис. 29. Амплитудная характеристика усилителя с ОЭ без обратной связи.

Рис. 30. Искажения формы сигнала при

С отрицательной обратной связью по переменному току.

Таблица 7

Рис. 31. Амплитудная характеристика усилителя с ОЭ и ООС.

Коэффициент усиления, определенный по амплитудной характеристике на начальном линейном участке

Участок насыщения явно не выражен. Нелинейные искажения начинаются, когда входное напряжение превышает 170 мВ.

Рис. 32. Искажения формы сигнала при

Выводы: коэффициент усиления при наличии ООС уменьшается в 3, 8 раза. Примерно во столько же раз расширяется линейная зона усилителя.

Исследование влияния на полосу пропускания усилителя емкости разделительных конденсаторов и ООС.

1. С1=1 мкФ (усилитель без ОС).

Рис. 33. Частотная характеристика усилителя без ОС, С1=1 мкФ,

линейка в области средних частот.

Рис. 34. Частотная характеристика усилителя без ОС, С1=1 мкФ,

линейка на нижней граничной частоте.

Рис. 35. Частотная характеристика усилителя без ОС, С1=1 мкФ,

линейка на верхней граничной частоте.

Аналогичные измерения при значении разделительного конденсатора С1=1 мкФ и C2=0, 1 мкФ с ООС и без ОС отображены в таблице 8.

Выводы: увеличение емкости разделительного конденсатора и введение ООС снижает нижнюю граничную частоту усилителя. Верхняя граничная частота практически не зависит от этих параметров и определяется частотными свойствами транзистора.

Таблица 8

Режим		, Гц	, МГц	, МГц
Без ОС	С1=1 мкФ			13, 45	13, 45
С2=0, 1 мкФ			13, 45	13, 45
С ООС	С1=1 мкФ	49, 5		12, 12	12, 12
С2=0, 1 мкФ	49, 5		12, 12	12, 12

4.2.2. Операционный усилитель.

Исследование зависимости коэффициента усиления усилителя от параметров цепи обратной связи и частоты входного сигнала.

Таблица 9

Установлено	Измерено	Вычислено
	R OC, кОм
Эксперимент.	Расчетное
		703, 4		99, 18
				195, 42

Рис. 36. Форма сигнала (начало искажений) при R _OC =100 кОм.

Рис. 36. Форма сигнала (начало искажений) при R _OC =200 кОм.

Таблица 10

Режим		, Гц	, кГц	, кГц
R2, min	99, 9		10, 47	10, 47
R2, max			5, 18	5, 18

Рис. 37. Частотная характеристика усилителя при R _OC =100 кОм,

линейка на средних частотах.

Рис. 38. Частотная характеристика усилителя при R _OC =100 кОм,

линейка на верхней граничной частоте.

Выводы:

1. Расчетные коэффициенты усиления практически не отличаются от экспериментальных.

2. Нелинейные искажения наступают, когда уровень выходного сигнала приближается к напряжению питания ОУ.

3. Нижняя граничная частота полосы пропускания равна нулю. При увеличении вдвое коэффициента усиления, полоса пропускания уменьшается практически в два раза.

4. Экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические положения.