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 U_{вх 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 2U_m = 4.52 В, т.е. U_m = 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” 2U_{m ген}= 0.1B = 2U_{m 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 : 2U_m I .

4.1.4. Переключить мультиметр на выход усилителя (“Вх2”) и измерить значение напряжения 2U_{m вых} .

4.1.5. Повторить п.п. 4.1.2. — 4.1.4. для ряда значений 2U_{m вх} из табл. 1 и данные измерений занести в эту таблицу.

Таблица 1

4.1.6. По результатам измерений построить г рафик зависимости U_{m вых} = f ( U_{m вх} ) и определить диапазон входных напряжений :

U_{m вх мин} = U_{m вх} = U_{m 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 2U_{m вх} в пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя (мультиметр подключен к точке “ГС1”) .

4.2.2. Измерить напряжение на выходе усилителя “2U_{m 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

2U_{m 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 = R_oc / R_вх , ( 1 )

рис. 1.

Для изменения коэффициента усиления, очевидно, необходимо изменение значения сопротивления входной цепи R_вх или сопротивления цепи обратной связи R_ос или обоих вместе.

Включив в схему усилителя в качестве сопротивлений R_вх и R_ос ступенчато, предусмотрев для этого группы резисторов так, как это показано, например, на рис. 2.

рис. 2.

Здесь сопротивление R_вх 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

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 U_{m вых} = f ( U_{m вх} ) и результаты занести в таблицу 2.

таблица 2.

4.2.4. По результатам измерений построить график зависимости U_{m вых} = f ( U_{m 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 U_{m вх} = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя U_{m вых} .

Результаты измерений занести в таблицу 3.

таблица 3.

4.4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя.

4.4.1. Установить максимальный коэффициент усиления усилителя и, изменяя частоту входного сигнала при постоянном входном напряжении U_{m вх} = 0.5 В, измерить напряжение на выходе усилителя. Данные измерений занести в таблицу 4.

таблица 4.

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 положения.

Простейшим аналоговым компаратором, как известно, является операционный усилитель без ООС (рис. 1).

рис. 1.

При подаче на один из входов ОУ входного, а на другой — опорного напряжений, момент их равенства отмечается компаратором сменой уровня напряжений на выходе с “+U_нас” на “-U_нас” или наоборот (см. Эпюры на рис. 1). Передаточная характеристика приведенного компаратора представлена на рис. 2.

Приведенный выше компаратор относится к двухвходовым, в отличие от одновходовых компараторов, одна из схем которых представлена на рис. 3.

рис. 2.

рис. 3.

Нетрудно показать, что напряжение, при котором произойдет срабатывание компаратора, U порога, определяется выражением:

U_пор = - U_оп R1 / R2 , . . . (1)

Если теперь на компаратор (рис. 3) подать периодическое входное напряжение, то на выходе его формируется также периодическое напряжение типа “несимметричный меандр” (рис. 4).

рис. 4.

Зная закон изменения входного сигнала и параметры элементов схемы компаратора, можно определить временные параметры выходного сигнала t₁ и t₂ на рис. 4.

Выпускаемые промышленностью компараторы включают в себя, кроме ОУ, схему формирования уровня сигнала с тем, чтобы его можно было непосредственно подавать на вход цифровых интегральных микросхем.

Передаточная характеристика одного из таких компараторов может, например, иметь следующий вид (рис. 5).

рис. 5.

Здесь U¹ и U⁰ — уровни напряжения, соответствующие логической “1” и логическому “0” на входах цифровых микросхем.

Примером такого компаратора является микросхема К554СА2, исследуемая в данной работе.

3. Описание объекта и средств исследования.

Схема исследуемого узла представлена на рис. 6. Узел включает в себя блок компаратора и элементы испытательного устройства К32.

рис. 6.

3.1. Блок представляет собой одновходовый компаратор на микросхеме ДА-К554СА2, имеющей следующие электрические параметры:

— напряжение питания: U_П1 = +12 В, U_П2 = -6 В ;

— уровни сигналов на выходе: U¹ = ( 2.5 — 4 ) B ; U² = 0.3 B ;

— время переключения выходного напряжения с низкого на высокий уровень: t_зад^0.1 = 130 нс.

3.2.. Опорное напряжение подается через резистор R1 = 2.2 кОм со встроенного (в блок К32) генератора постоянного напряжения — ГН2, органы управления величиной напряжения которого расположены на передней панели блок а К32 в поле надписи “ГН2”. Напряжение с генератора ГН2 контролируется мультиметром Н3014 при нажатии кнопки “ГН2” под надписью “контроль V = “; на мультиметре при этом должна быть нажата кнопка “ - V ” рода измерения.

3.3. На неинвертирующий вход компаратора ДА кроме постоянного напряжения подается еще и переменный сигнал треугольной формы с генератора Л31, установленного на блоке К32 слева. Органы выбора формы сигнала, установки частоты сигнала и регулировки уровня (амплитуды) сигнала расположены на передней панели генератора. Сигнал с генератора снимается с выхода “10 B”, имеющего выходное сопротивление r_вых = 500 Ом. Его значение необходимо учитывать в дальнейшем при расчете порогового значения напряжения компаратора (п.4.1.3) , аналогично значению сопротивления резистора R1 на схеме рис.3.

Подключение мультиметра к выходу генератора для наблюдения формы сигнала и установки его заданной амплитуды производится нажатием кнопки “ГС1”под надписью “Контроль V ~”.

3.4. Наблюдение формы и измерение параметров выходного сигнала с компаратора осуществляется подключением мультиметра к выходу последнего нажатием кнопки “ Вх2”под надписью “Контроль V~”. Для измерения амплитуды или временных параметров выходного сигнала (а равно и напряжения с генератора ГС1) на мультиметре должны быть нажаты кнопки рода измерения соответственно, “~V” или “t”.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Пользуясь теоретическим материалом настоящей работы и конспектом лекций, самостоятельно разобрать работу исследуемого компаратора (рис. 6).

4.1.1. Изобразить передаточную характеристику исследуемого компаратора так, как это было изображено для другой схемы компаратора на рис. 3, с учетом уровней сигнала на выходе микросхемы (п. 3.1.).

4.1.2. Изобразить эпюры напряжений на входе и выходе исследуемого компаратора так, как это было изображено на рис. 4, для входного напряжения треугольной формы.

4.1.3. По эпюрам сигналов п. 4.1.2 и по параметрам входного сигнала треугольной формы F=1 / T и U_m и значению напряжений U_оп , заданных преподавателем отдельным для каждой бригады, рассчитать параметры выходного сигнала t₁ и t₂ .

4.1.4. Пользуясь электрическими параметрами микросхемы К554СА2 (п. 3.1.), определить амплитуду импульсов на выходе компаратора U_{m вых} , путем задания ее минимально- и максимально возможных значений :

U_{m вых} = (U_{m вых мин} + U_{m вых макс} ) В.

4.2. Проверить экспериментально работу компаратора в заданном режиме. Для этого:

4.2.1. Убедиться в том, что:

— выход гнезда ГС1 на блоке К32 проводником соединен с гнездом XS1 на плате;

— кнопка “ ВСВ / ВНК “ в поле надписи “КВУ” и аналогичные в поле надписи “коммутатор” — отжаты;

— кнопка “ВСВ / ВНК” над гнездом “ ГС1” — нажата;

— кнопки “ВСВ / ВНК” в поле надписей “ГН1” и “ГН2” соответственно нажата и отжата.

4.2.2. Контролируя сигнал на выходе генератора (п. 3.3) установить его параметры, заданные ранее преподавателем.

Примечание: Форма треугольного сигнала с генератора на экране мультиметра может наблюдаться искаженной (“срезан нижний зуб”). Это объясняется шунтированием выхода генератора вспомогательными цепями узла компаратора. Поэтому на время установки заданной