Образования республики узбекистан

Порядок выполнения работы.

🛈 Тип операционного усилителя задаётся преподавателем.
^{🛈 Для всех исследуемых схем напряжение питания ОУ U}П ^{= ±15 В.}
Задание 1: Определение основных параметров операционных усилителей
R4 1K

R1
10K


VE
X3


VC
R2 10K
R3
_1K VE
_A X4
V3
VC


Out1

Схема для
измерения Uсм
Схема для
измерения Iвх-
Схема для
измерения Iвх+
Схема для измерения
коэффициента усиления Kо

Рис.12.9 Схемы включения операционного усилителя для измерения его основных парамет-
а) собрать схемы, представленные на рис. 12.9;
б) провести соответствующие измерения и рассчитать основные параметры операци- онного усилителя следующим образом:

^IВХ– ^{рассчитывается по формуле
I}ВХ
_ ^UВЫХ ^{ U}СМ _;
R1

^IВХ+ ^{рассчитывается по формуле
I}ВХ
_ ^UВЫХ ^{ U}СМ _;
R2

K₀ 
^UВЫХ U_А  U_СМ
, где U _А – потенциал точки А относительно «земли».

Задание 2: Исследование инвертирующего усилителя
а) собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 12.5);
^{б) задать значение сопротивлений R}1 ^{= 1 кОм и нагрузки R}Н ^{= 10 кОм;}
в) подать на вход усилителя синусоидальный сигнал с амплитудным значением напря- ^{жения U}ВХ ^{= 5 мВ и частотой f = 10 кГц;
г) задавая значения сопротивления R}ОС ^{= 1; 2; 5; 10; 100 и 1000 кОм определить ампли- тудные значения выходного напряжения U}Н^{;
д) по результатам эксперимента вычислить коэффициент усиления по напряжению K}U ^и

^{сравнить с теоретическим значением K}U^{, рассчитанным по формуле (12.2);}
е) результаты измерений и расчётов свести в таблицу;
^{ж) построить расчётную и экспериментальную кривые K}U ^{= f(R}ОС^{) и объяснить возмож-} ные расхождения;
з) получить ЛАЧХ исследуемой схемы в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц при ^RОС ^{= 1000 кОм и определить частоту единичного усиления F}1 ^{(частота, на которой мо- дуль коэффициента усиления K}U ^{= 1).}
Задание 3: Исследование неинвертирующего усилителя
а) собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 12.6) и выполнить измерения анало- гично пунктам а) – г) Задания 2 при тех же значениях входного напряжения и сопротив- ^{лений R}ОС^{;
б) по результатам эксперимента вычислить коэффициент усиления по напряжению K}U ^{и сравнить с теоретическим значением K}U^{, рассчитанным по формуле (12.4);}
в) результаты измерений и расчётов свести в таблицу;
^{г) построить расчётную и экспериментальную кривые K}U ^{= f(R}ОС^{) и объяснить возможные} расхождения.
Задание 4: Исследование дифференциального усилителя
а) собрать схему дифференциального усилителя (рис. 12.7б), подключить ко входам ис- ^{точники э.д.с. с заданными значениями U}ВХ1 ^{и U}ВХ2^;
б) рассчитать по формуле (12.6) сопротивления резисторов для обеспечения заданного ^{преподавателем K}U1 ^{= K}U2 ^{(принять R}ОС ^{=100 кОм);
в) определить выходное напряжение U}ВЫХ ^{и сравнить с рассчитанным по формуле (12.6)}
значением.
Задание 5: Исследование сумматора-вычитателя
а) собрать схему (рис. 12.8) для выполнения операции
^Uвых ^{= –K}U1 ^U1^–…–KUN ^UN^+K'U1 ^U'1^{+…+ K'}UM ^U'М^{;
рассчитать сопротивления резисторов для обеспечения заданных преподавателем K}U1^{, K}U2^{, K}U3^{, … (принять R}ОС ^{=100 кОм);
б) определить расчетным и экспериментальным способом U}вых ^{при заданных значениях
U}1^{, U}2^{, U}3^{, … и сравнить их (вычислить расхождение).}
Контрольные вопросы

1. 
   Какие выводы содержит ОУ и для чего они предназначены?
   
2. 
   Из каких каскадов состоит операционный усилитель?
   
3. 
   Какими основными параметрами характеризуется ОУ.
   
4. 
   В чём причина возникновения напряжения смещения и входных токов в ОУ?
   
5. 
   Чем ограничивается выходное напряжение ОУ?
   
6. 
   Почему для работы ОУ необходимо наличие цепей ООС и в чем их назначение?
   
7. 
   Как измеряются основные параметры ОУ?
   
8. 
   Как рассчитываются коэффициенты усиления для различных схем включения ОУ?
   

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4
Расчет выходных каскадов усилителей.
Принципиальную схему проектируемого выходного каскада со- ставляют на основе типовой схемы (рис. 1). На данном этапе схема является ориентировочной, поскольку после выполнения расчетов может потребоваться ее корректировка. Например, для увеличения величины входного сопротивления проектируемого усилителя ока- жется необходимым увеличение числа транзисторов в плечах каскада и т. п.
При составлении принципиальной схемы необходимо учесть следующее:

• 
  Коэффициент усиления по напряжению бестрансформаторно- го выходного каскада меньше единицы и обычно лежит в следующих пределах:
  

К


_ВК 2U_н

U
^u ВК
вх _m
 0,85...0,95,

где
ВК

U
вх _m

• 
  амплитудное значение напряжения на входе входного
  

каскада.

• 
  Выходной каскад лучше следует выполнять на комплементар- ных парах транзисторов.
  
• 
  В качестве элементов связи между источником сигнала, кас- кадами и нагрузкой проще всего использовать разделительные кон- денсаторы, которые устраняют взаимосвязь каскадов по постоянному току.
  
• 
  Для питания усилителя целесообразно применять двуполяр- ные источники питания.
  

R_н

Рис. 1. Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных транзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, R_п)

Расчет выходного каскада заключается в решении следующих основных задач:

• 
  составление принципиальной схемы выходного каскада, позво- ляющей реализовать требуемые коэффициенты усиления сигнала по мощности и напряжению, а также обладающей КПД не менее 40…55 %;
  
• 
  ^{подбор транзисторов, исходя из требуемой мощности} P_н
  

в нагрузке, температуры окружающей среды t_в и заданного либо вы-

бираемого напряжения
E_п ^{источника питания;}

• 
  выбор оптимальных режимов работы транзисторов по посто- янному току, обеспечивающих малый уровень нелинейных искаже- ний в заданном интервале температур;
  
• 
  
  вх
  определение электрических параметров выходного каскада по
  

К

p

u
переменному току (входного сопротивления
R^ВК , коэффициентов

усиления по току
К ^ВК , напряжению
^ВК и мощности
К ^ВК ; ампли-

i
туд входного тока
ВК

I
вх _m
и напряжения U ^ВК );

• 
  
  вх _m
  нахождение минимально-необходимой площади S радиаторов.
  

1. 
   Выбор выходных транзисторов
   

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора

VT3 (VT4)
(см. рис. 1)


^Uкm3 ^


2U_н ,

где U _н

• 
  эффективное значение напряжения на нагрузке.
  

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4)


_{I } ^Uкm3 _.
кm3 _Rн

Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке

_U 2
P_н  ^н .
R_н

Необходимое напряжение источника питания

^{Еn = (1,01…1,1) (}U_кm3 ^+
Iкm3 ^rнас ^),

где r_нас = (0,1…1) – внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения, Ом.

Величину источника питания следует выбирать из ряда: (5, 6, 9, 12, 15, 18, 24, 27, 36, 48) В.
Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе тран- зистора
P_к3  (0,4...0,9)P_н .

Используя полученные значения
P_к3 ,
I_кm3 , E_ï , из компьютер-

ной базы кафедры подбирают транзисторы
VT3 и
VT 4 , отдавая

предпочтение приборам с малым обратным током Отбор выполняется в два этапа.
^Iк0 ^.

На первом этапе проверяют, удовлетворяют ли предельно-
допустимые параметры транзисторов следующей системе неравенств:

^Pк доп₂₀

• 
  (1,2...1,4)P_к3 ;
  

^Uкэдоп

• 
  2,2E_п ;
  

^Iкдоп

• 
  1,15I_кm3 .
  

Если да, то переходят ко второму этапу, на котором проверяют

могут ли транзисторы
VT3 и
VT 4
при наибольшей температуре сво-

их корпусов (коллекторов)
^tкmax
рассеивать мощность, не меньшую,

20
чем 1,1P_к3 . Для этого рассчитывают

P
'
^кдоп
^{ Pк}доп
[1  0,01(t


^кmax
 20 C)],

где
^tкmax
 t_в  (15...30)

• 
  максимальная температура коллекторного
  

перехода, C; t_в

• 
  верхнее значение диапазона рабочих температур, C.
  

Если оказывается, что


P^'  1,1P ^,

к_доп к3

то транзисторы подходят.

Из компьютерной базы и из прил. 2 настоящих методических указаний необходимо перерисовать выходные и входные статические характеристики выбранных транзисторов и выписать их следующие основные предельно-допустимые параметры:

^Pк доп₂₀

• 
  максимально допустимая постоянная рассеиваемая
  

мощность на коллекторе при 20 С, Вт;

^Uкэдоп

• 
  максимально допустимое постоянное напряжение ме-
  

жду коллектором и эмиттером, В;

^Iкдоп

• 
  максимально допустимый постоянный ток коллектора, А;
  

h_21эmin – минимальный коэффициент передачи тока базы в схе- ме с общим эмиттером;

^TПдоп

• 
  максимально допустимая температура перехода, ^оС;
  

^Rt пк

• 
  тепловое сопротивление подложка-корпус, ^оС/Вт;
  

^Iк020 ^C

• 
  обратный ток коллектора при 20 С, мкА.
  

2. 
   Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки
   

Если в справочниках дается максимальное значение обратного

тока коллектора
I_к0max (при максимально возможной температуре

^tкmax
коллекторного перехода транзистора), то ток покоя коллектора

^Ioк3
транзисторов
VT3 (VT4)
можно определить из соотношения

I_oк3  (10...30)I_к0max .
Когда в справочниках дается значение обратного тока при 20 С, то необходимо сначала рассчитать величину обратного тока коллектора при максимальной температуре по формуле

^Iк0max
_{ I e}(0,07...0,13)(t_кmax 20) _.

к0
20^o C

Ток покоя I_ок3 должен быть, как минимум, в 10–30 раз меньше амплитудного значения тока коллектора

I_ок3  (0,03…0,1) I_кm3.
Если это условие не выполняется, то необходимо подобрать транзистор с меньшим значением обратного тока коллектора.
На семействе выходных статических характеристик транзисто-
ров VT3 (VT4) строят нагрузочные прямые по переменному току с
координатами (рис. 2):
А (I_ок3, Е_п); В (I_ок3 + I_кm3, Е_п – U_кm3).

Рис. 2. Построение нагрузочной прямой транзистора VT3 (VT4)

В результате построения нагрузочной прямой находят ток по-

коя базы I_об3, максимальный ток базы ное значение тока базы
^Iб3max
и вычисляют амплитуд-

^Iбm3 ^=
I_б3max ^{– I}об3

Перенеся соответствующие значения токов I_об3 и
^Iб3max ^на

входную характеристику (рис. 3), находят для транзисторов
VT3 (VT4) напряжение покоя базы U_об3, максимальное значение на-

пряжения на базоэмиттерном переходе
^Uбm3_max
и вычисляют ампли-

тудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе


^Uбm3 ^{= U}_{б3 max} ^{– U}об3^.

Рис. 3. Определение параметров входного сигнала транзистора VT3 (VT4)

После этого рассчитывают:

• 
  входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзисто- ра VT3 (VT4)
  

_{R } ^U бm3 _;

^вхбэ3


^Iбm3

• 
  номиналы резисторов R3 и R4
  

R3  R4  (2...5)R_вхбэ3
(для маломощных транзисторов);

R3 = R4 = (0,5…2)
^Uоб3
^Iоб3

(для мощных транзисторов).

3. 
   Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки
   

Ток покоя эмиттера транзисторов


^Iоэ1 ^{= I}об3 ⁺
VT1 (VT 2)
^Uоб3
R3

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT 2)

^Iэm1 ^
Uбm3
R3|| R_вх

.
бэ3

Соответственно амплитудное значение тока коллектора I_кm1  I_эm1, так как коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице.

Аналогично выбору выходных транзисторов
VT3 (VT4)
выби-

рают транзисторы
VT1 и
VT 2 .

Транзисторы подходят, если выполняются неравенства:

^Iкдоп

• 
  ^Iк1max
  

^{ I}кm1 ^{ I}ок1 ^{ I}эm1 ^{ I}оэ1 ^;

^Uкдоп

• 
  2,1E_п ;
  

к
P 
доп
^Pн ^Iбm3 _.
^Iкm3

Для построения линии нагрузки по постоянному току транзи-

сторов
VT1 (VT 2)
выбирают следующие координаты точек
A^{' и}
_A''

(см. рис. 4):


A^' (I_oк1;


E_п  U_oб3 );

A^'' (I_ок1  I_кm1;
^{где U}кm1 ^{ U}кm3 ^Uбm3 ^.
Eп ^{ U}об3 ^{ U}кm1^{) ,}

Рис. 4. Построение линии нагрузки транзистора VT1 (VT2)

Рис. 5. Определение параметров входного сигнала транзистора VT1 (VT2)

В результате построения нагрузочной прямой находят ток по-

коя базы I_об1, максимальный ток базы ное значение тока базы
^Iб1max
и вычисляют амплитуд-

^Iбm1 ⁼
I_б1max – I_об1.

Перенеся соответствующие значения токов I_об1 и
^Iб1max
на вход-

ную характеристику (рис. 5), находят для транзисторов VT1 (VT2)
напряжение покоя базы U_об1, максимальное значение напряжения на

базоэмиттерном переходе
^Uбm1_max
и вычисляют амплитудное значе-

ние напряжения на базоэмиттерном переходе


^Uбm1 ^{= U}_бm1max ^{– U}об1^.

4. 
   Определение основных параметров выходного каскада
   

Входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора
VT1 (VT 2)
_{R } ^Uбт1 _.

^вхбэ1


^Iбт1

Входные сопротивления верхнего и нижнего плеча выходного каскада в силу комплементарности транзисторов можно считать оди- наковыми, поэтому входное сопротивление выходного каскада

R  R  R  (R3|| R
₎ ^Iкm1 _{ R} ^Iкm3 _.

вх13 вх24 вхбэ1 вхбэ3
^Iбm1 н ^Iбm1

Амплитудное значение входного напряжения:

U
ВК
вх _m
^{= U}бm1 ^{+ U}бm3 ^{+ U}кm3^;

Требуемое падение напряжения U_од1,2
на диодах
VD1,
VD2

^Uод1,2 ^{ 2U}об1 ^{ U}об3^.

Если величина напряжения
^Uод1,2
получается в пределах

(0,8…1,6)В, то можно обойтись двумя диодами, а если получается больше, то необходимо включать последовательно 3–4 диода.
Из результирующей вольтамперной характеристики последова- тельно включенных диодов определяют требуемое значение тока I_од через цепочку R1–VD1–VD2–R2, но в любом случае должны выпол- няться следующие условия:

^Iод
^Iод
 (0,5...1)мА
 (2...3)I_об1 .

Сопротивление
R1,
R2 делителя напряжения
R1  R2  ^{2Eп Uод} .
^Iод

Входные сопротивления верхнего и нижнего плеч каскада

с учетом шунтирующего действия резисторов
R1 и
R2:

R^ВК  (R1|| R2) || R )
вх вх13

Среднее значение коэффициента усиления по напряжению вы- ходного каскада

K

 .
^{ВК U}кm3

U
^u ВК
вх _m

Среднее значение амплитуды входного тока выходного каскада

_U ВК

I


ВК
вх _m
вх _m
ВК

R
вх

Мощность сигнала на входе выходного каскада

P

вх

вх_m

вх
^BK  0,5(U ^ВК
m
^{ I ВК )} .

Коэффициент полезного действия всего каскада

 
2E_п[I


ок3

• 
  I_од
  

P_н

• 
  ^Iок1
  

 ¹ (I



кm1
.

• 
  I_кm3 )]
  

ром
Уточненное значение мощности, рассеиваемой одним транзисто-
VT3( VT 4 )

^Pк3max
_U 2
_{ 0,1} кm3
R_н

• 
  ^Eп ^Ioк3 ^.
  

Тепловое сопротивление корпус–среда:

^Rtкс
_ ^tкmax
^Pк3

• 
  t_в
  

max

• 
  ^Rtпк ^,
  

где
R_tп-к – тепловое сопротивление подложка-корпус. Площадь радиатора

S  ^{1
KT Rt}кс
см² ,

где
K_T  (0,0012...0,014)^{, Вт см–2 град–1 – коэффициент теплоотдачи.}

5.