Лабораторные работы по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

I. Цель работы

Изучение принципа действия дифференциального усилителя постоянного тока (УПТ) и приобретение навыков его балансировки; снятие и анализ амплитудных характеристик (рис.2).

II. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов в диапазоне частот от f = 0 (постоянный ток) до некоторой максимальной частоты f max , обычно определяемой частотными свойствами транзисторов. Эта частота может достигать сотен мегагерц.

Простейшая схема УПТ (рис. 3) используется в компенсационном стабилизаторе напряжения. При номинальном входном напряжении  стабилизатора на электродах транзистора VT также устанавливаются номинальные напряжения ,  и . Напряжение  создается параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD и не зависит от входного напряжения , а напряжения  и  изменяются. Входное напряжение УПТ  является частью выходного стабилизатора (где  - коэффициент деления делителя ). Коллекторное напряжение   управляет регулирующим транзистором стабилизатора (на схеме не приведен).

Если по какой - либо причине выходное напряжение  стабилизатора изменилось, изменится и напряжение , например, появится приращение напряжение .

 При этом базовый ток транзистора VT уменьшиться на , а коллекторный – на  и, следовательно, увеличиться коллекторное напряжение на  . Это напряжение  является выходным напряжением УПТ, вызывающим компенсирующее изменение электрического состояния регулирующего транзистора стабилизатора.

В рассматриваемом случае при  на выходе УПТ появляется  , способствующее уменьшению базового тока регулирующего транзистора, что равносильно увеличению сопротивления промежутка коллектор – эмиттер, приводящего к уменьшению выходного напряжения стабилизатора .

Коэффициент усиления напряжения УПТ определяют по формуле:

.


Подпись: Блок 
пита-ния
Подпись: Исследование
УПТ
Подпись: СетьПодпись: Контрольные гнездаПодпись: БалансировкаПодпись: Рис. 1

 

Следовательно, изменение входного напряжения УПТ вызывает в K раз большее изменение его выходного напряжения.

Кроме того, УПТ может усиливать переменное напряжение до некоторой предельной частоты, которая определяется частотными свойствами транзисторов, что особенно важно в стабилизаторах, работающих на схему с импульсным потреблением.

На выходе УПТ появляется сигнал даже в том случае, если на входе его нет. Это явление, называемое дрейфом нуля, проявляется нестабильностью выходного напряжения. Дрейф нуля представляет собой ложный выходной сигнал, а воздействие на схему УПТ дестабилизирующих факторов, наиболее серьезный из которых – изменение температуры окружающей среды, влияющее на все без исключения элементы. Устранить или полностью скомпенсировать это явление невозможно.

Так в УПТ, показанном на рис. 3, с ростом температуры из – за увеличения тока коллектора уменьшается отрицательное коллекторное (выходное) напряжение, что равносильно поступлению на вход сигнала отрицательной полярности. Дрейф выходного напряжения может быть скомпенсирован подачей на вход УПТ. Зная абсолютный выходной дрейф D и коэффициент усиления напряжения K, можно определить приведенный дрейф . Приведенный дрейф определяет чувствительность  УПТ, т. е. минимальный сигнал на его входе, который будет различным на выходе. Так, если приведенный дрейф при воздействии определенных дестабилизирующих факторов составляет 100 мкВ, подавать на вход УПТ сигнал1 мкВ не имеет смысла – он потеряется на фоне дрейфа. Сигнал же, соизмеримый с приведенным дрейфом, будет заметен на выходе. Следовательно, снижение приведенного дрейфа сопровождается повышением чувствительности УПТ.

Для уменьшения дрейфа нуля используют параллельно – балансные УПТ (рис. 4), которые состоят из двух одинаковых каскадов, параллельно подключенных к источнику питания EК. Перед началом работы УПТ балансируют так, чтобы потенциалы входных 1 и 4 и выходных 2 и 3 зажимов были попарно одинаковы. Это состояние соответствует отсутствию входного сигнала.

Коллекторные цепи транзисторов образуют мост, верхними плечами которого являются R3 и R5 одинаковых сопротивлений, а нижними – промежутки коллектор – эмиттер транзисторов VT1 и VT2, включенные последовательно резисторам R4 и R6, сопротивления которых обычно невелики. Сопротивления нижних плеч моста после балансировки становятся одинаковыми.

Под действием входного сигнала (в простейшем случае его подают между зажимами 1 и 4) базовый ток одного из транзисторов уменьшается, при этом сопротивление его промежутка коллектор – эмиттер увеличивается, одновременно базовый ток другого транзистора увеличивается, а сопротивление его промежутка коллектор – эмиттер уменьшается. Баланс моста нарушается и на выходе схемы появляется сигнал. Входной сигнал противоположной полярности вызывает появление на выходе схемы сигнала также противоположной полярности. Таким образом, выходной сигнал содержит информацию не только о значении входного сигнала, но и о его знаке. При полной симметрии схемы дрейфы выходных напряжений отдельных каскадов будут одинаковы. Потому на нагрузке, подключенной к зажимам 2 и 3, дрейфа вообще не будет. В реальных схемах дрейф выходного напряжения все же наблюдается.

Исследуемый в данной работе УПТ (см. рис. 2) выполнен по параллельно – балансной схеме. Его принципиальная монтажная схема приведена на рис. 3. Такие УПТ называют также дифференциальными, поскольку их выходное напряжение пропорционально разности потенциалов входов.

Наилучшей, с точки зрения минимального дрейфа, является схема УПТ с симметричными входом и выходом. Входной сигнал подается на изолированный от корпуса зажим 1, а выходной снимается также с изолированных от корпуса зажимов 2 и 3. Режим базовых цепей транзисторов обеспечивается одинаковыми делителями напряжения RG1RG2(R1R2). Напряжения эмиттерных переходов образуются на резисторах RG (или R20) и RG2 (R2 и R10). Резистор R4 служит для балансировки схемы – выравнивания потенциалов на базах транзисторов. В коллекторные цепи включены имеющие одинаковые сопротивления резисторы RK1 и RK2.

Потенциометр R6 предназначен для установки нуля на выходе УПТ при нулевом входном сигнале и, кроме того, для выравнивания неодинаковых сопротивлений эмиттерных областей транзисторов и создания небольшой по глубине ООС, дополнительно стабилизирующей режим транзисторов. Резистор R3 предназначен для эмиттерной стабилизации рабочих точек транзисторов, что снижает дрейф нуля. Напряжение источника +EП 1 (E2) подбирают так, чтобы потенциалы эмиттеров были близки к нулю, а сами транзисторы находились в активном режиме.

При выполнении работы напряжение источника –EП1 (E2) подбирают так, чтобы напряжение источника EП 1(E1) распределялось поровну между промежутками коллектор – эмиттер транзисторов и резисторами в коллекторных цепях. При использовании транзисторов с одинаковыми параметрами и резисторов RX1=RX2 (R1=R9) и RG1=RG2 (R3=R8) схема после балансировки будет симметричной, а дрейфы потенциалов коллекторов транзисторов – одинаковыми. Следовательно, дрейф нуля на нагрузке, включенной между коллекторами, будет равен нулю, так как представляет собой разность дрейфов одинаковых половин усилителя.

 Перед началом работы схема должна быть сбалансирована, для чего необходимо:

- установить движки потенциометра R1 (R6) в среднее положение;

- подключить к гнездам 2 и 3 схемы вольтметр с предельным значением шкалы, равным –EП1 (E2) и S1 переключить в положение 2;

- установить потенциометром R1 (R5) нулевое напряжение на выходе УПТ, одновременно переключая вольтметр на все более чувствительные пределы.

В ходе работы периодически следует проверять этим способом отсутствие дрейфа нуля. Также балансируется второй каскад на транзисторах VT3 и VT4 (при балансировке VT3 и VT4 S3 находится в положении 2).

При подключении к гнезду 1 положительного полюса источника входного сигнала ток будет проходить по цепи: гнездо 1, база – эмиттер VT1, R1 (R6), эмиттер – база VT2 резистор RG2. Этим током транзистор VT1 будет закрываться, и отрицательное напряжение на его коллекторное начнет расти, а транзистор VT2 будет открываться, и отрицательное напряжение на его коллекторное начнет уменьшаться. Следовательно, вольтметр для измерения выходного напряжения при установленной полярности входного сигнала следует подключить плюсом к гнезду 3, а минусом – к гнезду 2.

При некотором входном сигнале транзистор VT1 начнет закрываться, а транзистор VT2 окажется в режиме насыщения, т. е. Прекратиться воздействие входного сигнала на УПТ. Этому состоянию схемы соответствуют напряжения +Uвых max и – Uвых max (рис. 5), ограничивающие линейный участок амплитудный характеристики, в пределах которого коэффициент усиления напряжения постоянен, т. е.

.

Особенностью схемы дифференциального УПТ является отсутствие внутрикаскадной ООС при включении в общую эмиттерную цепь резистора R7, сопротивление которого определяется только напряжением источника питания E2.

III. Порядок выполнения работы:

1. Вычертить табл. 1 и 2 для снятия амплитудных характеристик УПТ и координатные оси (рис. 5) для их построения (масштаб по осям: Uвх – в 1 см 0,2 В; Uвых – в 1 см 2 В).

2. Зарисовать схему исследуемого усилителя постоянного тока (см. рис. 2 и рис. 6), снять амплитудную характеристику и занести результаты измерений в табл. 1.

3. Uвх измеряют в гнезде 1, Uвых – между 2 и 3.

4. Включением S3 подать на входы второго каскада выходное напряжение первого каскада. Снять амплитудную характеристику. Занести результаты измерений в табл. 2.

Таблица 1

Входное напряжение Uвх, В

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Входной ток Iвх, мкА

Выходное напряжение Uвых, В

 

Таблица 2

Входное напряжение Uвх, мВ

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

Входной ток Iвх, мкА

Выходное напряжение Uвых, В

5. Регулировкой потенциометра RCB установить необходимое напряжение на входе оконечного каскада (10) и измерить выходное напряжение на коллекторе транзистора VT5 (гнездо11), а также на его эмиттере (гнездо12). Опыт повторить 10 раз для различных значений напряжения базы VT5 (гнездо10). Результаты занести в табл. 3.

 Таблица 3

Номер опыта, №

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

N8

N9

N10

Напряжение базы VT5 UБ, В

Напряжение на коллекторе VT5 UК, В

Напряжение на эмиттере VT5 UЭ, В

Коэффициент передачи VT5

Общий коэффициент усиления

6. Построить амплитудные характеристики УПТ в координатных осях (см. рис. 6).

7. Принимая за исходные состояния схемы соответствующие результаты 3-го или 4-го столбца табл. 3, определить выходное напряжение на выходе VT5 (гнездо 11), задавая различные нагрузки сопротивлением RH1. Результаты занести в табл. 4.

Таблица 4

Номер опыта, №

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

N8

N9

N10

Напряжение базы VT5 UБ, В

Напряжение на коллекторе VT5 UК, В

Напряжение на эмиттере VT5 UЭ, В

Коэффициент передачи VT5

Общий коэффициент усиления

8. Для всех транзисторов определить разности потенциалов и токи для всех транзисторов, когда каждый каскад сбалансирован. Результаты изучить и прокомментировать.

9. Определить дрейф нуля. Для этого сбалансировать усилитель. Произвести измерения выходного напряжения (U11) с высокой точностью при UВХ равном нулю, что имеет место в крайнем левом положении. Измерение дрейфа нуля производить в гнезде 11 внешним вольтметром.

10. Исследование УПТ на интегральных микросхемах. Такие усилители нашли широкое применение и больше называются операционными усилителями (ОУ). Существуют их большое разнообразие. Они отличаются друг от друга мощностью, точностью, быстродействием, коэффициентом усиления. В данной установке использован ОУ типа КР544УД2В. Из справочника определить основные параметры данного ОУ.

 10.1. Определение коэффициента усиления по напряжению.

Ручкой регулятора «-EП2» (21) по встроенному вольтметру (26) установить напряжение минус 12,6 В. Переключатель S3 установить в положение 2, переключатель S2 – в положение 1, переключатель S3 – в положение RH2.

10.2. Ручки регуляторов UВХ и RH2 установить в крайнее правое положение, чем на вход подается сигнал, и нагрузка усилителя имеет максимальное сопротивление.

10.3. Внешним вольтметром, желательно электронным, произвести измерение входного потенциала на гнездах «14» и «1» выходного – на гнездах «15» и «1». Рассчитать коэффициент усиления ОУ:

.

11. Определение дрейфа нуля ОУ.

11.1. При тех же положениях управляющих ручек, что и в п. 10.3. на вход ОУ подать «ноль», т. е. Ручку потенциометра «UВХ» (20) установить в крайнее левое положение. Измерить выходное напряжение UВЫХ в гнезде «15» внешним вольтметр.

Примечание. Балансировку дифференциальных усилителей проводят при закороченных между собой базах пар транзисторов. При различных значениях (-EП1) добиваются такого значения –Em, при котором на коллекторах имеется напряжение, равное минус 5В.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Каковы особенности схем УПТ?

Что такое дрейф нуля?

Почему уменьшение приведенного дрейфа нуля сопровождается ростом чувствительности УПТ?

Каковы причины и основные способы уменьшения дрейфа нуля?

Лабораторные и контрольные работы по электротехнике