Уменьшить ток управления до нуля. Убедиться в том, что значение анодного тока не изменяется, т.е. тиристор не выключается. Выключить тиристор по анодной цепи, уменьшая напряжение U₂. Записать анодный ток удержания тиристора и анодное напряжение, при котором тиристор выключается.

3. Снятие характеристики управления.

Снять зависимость I_у = F(U_у) при разорванной анодной цепи, используя схему рис.6. Построить характеристику управления (рис.7), нанести на нее отпирающие значения тока и напряжения I_у0, U_у0. По характеристике управления определить дифференциальное сопротивление вблизи точки I_у0, U_у0.

16

4. Снятие анодных вольтамперных характеристик

Собрать схему, приведенную на рис.8. Подключить входы «Y» и «X» осциллографа к сигналам, пропорциональным соответственно анодному току и напряжению тиристора. Вход «Y» подключается к резистору R_ш, напряжение на котором пропорционально току i_а. Масштаб по току m_i определяется следующим образом: находится масштаб по напряжению по указателю на переключателе, например 20 мВ/см; затем это значение делится на сопротивление шунта: .

Рис.8. Схема включения тиристора на переменном токе:

R₁, R₂ - делитель напряжения;

Масштаб по напряжению определяется следующим образом: при помощи эталонного сигнала находится масштаб по напряжению на входе «Х», например, 0,6 В/см; затем это значение умножается на коэффициент делителя , равный 4; m_u = 0,6 В/см * 4 = 2,4 В/см.

Установить максимальное напряжение в анодной цепи тиристора. Затем, изменяя ток управления, зарисовать несколько анодных вольтамперных характеристик (рис.5). Записать значения токов управления, при которых сняты характеристики. На характеристиках показать напряжения переключения тиристора U_пк.

Зарисовать диодную вольтамперную характеристику тиристора без делителя напряжения R₁ - R₂. Для этого вход “Х” осциллографа подключить к точкам 6-9. Выставить ток управления больше значения отпирающего тока. По характеристике определить пороговое напряжение U_пор, прямое падение напряжения при максимальном токе U_пр, дифференциальное сопротивление R_i = U_пр / I_пр (рис.9).

5. Исследование однофазного управляемого выпрямителя.

Схема выпрямителя приведена на рис.3. Делитель R₁-R₂ отключен. Тиристор управляется постоянным током управления. Зарисовать осциллограммы тока i_а, входного напряжения выпрямителя u₂, анодного напряжения тиристора u_a(u_ак) и напряжения на нагрузке u_н для двух значений тока управления. На рис.10 приведены временные диаграммы работы выпрямителя при токе управления I_у > I_у0, когда тиристор работает в диодном режиме; на рис.11 - при токе управления I_у < I_у0.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке определяется по формуле: . Среднее значение выпрямленного тока: .

Рис.10. Временные диаграммы работы выпрямителя для I_у > I_у0

Рис.11. Временные диаграммы работы выпрямителя для I_у < I_у0

Контрольные вопросы

1. Как определить отпирающий ток управления тиристора?

2. Почему с ростом тока управления уменьшается напряжение переключения?

3. Почему процесс включения тиристора происходит лавинообразно?

4. Как влияет температура на характеристики управления и анодные?

5. Можно ли выключить однооперационный тиристор при помощи цепи управления?

6. Пояснить работу выпрямителя однофазного тока.

7. Сравнить диапазоны регулирования момента включения тиристора при управлении постоянным током, синусоидальным (амплитудный способ) и импульсным.

Таблица вариантов

№ вар.	U2m, B	Rн, Ом	?	№ вар.	U2m, B	Rн, Ом	?
1	15	100	30	13	25	150	30
2	20	120	40	14	30	170	40
3	25	140	50	15	35	130	50
4	30	160	60	16	40	180	60
5	35	180	70	17	45	200	70
6	40	200	80	18	50	170	80
7	45	100	90	19	55	130	90
8	50	120	100	20	60	200	100
9	55	140	110	21	20	210	110
10	60	160	120	22	40	220	120
11	15	120	130	23	15	120	130
12	20	130	140	24	20	140	140

Примечания:

1. Студенты, получившие подвариант А, рассчитывают и строят зависимость U_d = F(?); подвариант Б - рассчитывают и строят зависимость I_d = F(?); подвариант В - временные диаграммы u₂(t), u_н(t), i_d(t), i_у(t).

2. При расчете принимать R_н=120 Ом.

Работа №5

Исследование дифференциального включения операционного усилителя

Цель работы

Изучение характеристик и параметров дифференциального включения операционного усилителя.

Теоретическая часть

Подключение сигнала U_вх1 аналогично подключению его в инвертирующем усилителе (рис.1). Второй сигнал U_вх2 поступает на неинвертирующий вход в точку 3. Резисторами R₅-R₇ создается делитель напряжения на этом входе. Из-за идеальности ОУ потенциалы точек 2 и 3 одинаковы, поэтому напряжение в этих точках можно приравнять: U₂ = U₃. Определение напряжений U₂ и U₃ показано ниже. При дифференциальном включении операционного усилителя (ОУ) используется два входа усилителя: инвертирующий и неинвертирующий. Для того чтобы усилитель работал на линейном участке амплитудной характеристики, необходимо охватить его отрицательной обратной связью. Обратная связь осуществляется так же, как и в инвертирующем усилителе. Напряжение с точек 6-12 через сопротивление обратной связи R_ос1 поступает в точки 2-12. В результате получается параллельная обратная связь по напряжению.

(1)

(2)

(3)

(4)

После преобразования с учетом выражения (4) получается значение выходного напряжения:

(5)

Согласно полученному выражению выходного напряжения получаются следующие значения масштабных коэффициентов К₁ и К₂:

; , (6)

. (7)

Пусть R_ос1= R₄ и R₇ = R₅, тогда

. (8)

Если R_ос1= nR₄ и R₇ = nR₅, то значение выходного напряжения зависит от значения n:

. (9)

Вид амплитудной характеристики усилителя зависит от соотношения слагаемых выражения (7), так как может быть инвертирующего вида либо неинвертирующего.

Рис.1. Дифференциальное включение операционного усилителя

Экспериментальная часть

1. Работа усилителя от сигналов постоянного тока.

В схему включить резисторы R_ос1 и R₇ и подобрать их так, чтобы R_ос1 = R₄ и R₇ = R₅. В качестве источников сигналов использовать два источника постоянного напряжения лабораторного стенда.

1.1. Снять зависимость , используя источники постоянных напряжений. Вначале изменять U_вх2 при U_вх1= const, затем изменять U_вх1 при U_вх2 = const.

Изменить значение R_ос1 и R₇: R_ос1= nR₄ и R₇ = nR₅. Подобрать значение коэффициента n по имеющимся значениям сопротивлений. Снять зависимость , используя источники постоянных напряжений.

2. Работа усилителя от импульсных входных сигналов.

Зарисовать осциллограммы входных и выходных напряжений для разных амплитуд импульсов и времени сдвига импульсов. Примерный вид осциллограмм приведен на рис.2.

а)

б)

Рис.2. Осциллограммы работы дифференциальной схемы включения:

а) ?t > t_и б) ?t < t_и; t - промежуток времени между фронтами импульсов

3. Оформление отчета.

По результатам опыта построить характеристики , определить U_н⁺ и U_н-, параметры усилителя и обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Что такое инвертирующий (неинвертирующий) вход усилителя?

2. В какой точке усилителя находится виртуальный ноль?

3. Почему потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов при дифференциальном включении одинаковы?

4. Что такое амплитудная характеристика усилителя?

5. Как определить напряжение на неинвертирующем входе?

6. Как вычислить масштабные коэффициенты по разным входам усилителя?

7. Назвать разновидности схем дифференциального включения.

Таблица вариантов

№ вар.	Uвх1, В	Uвх2, В	R4, кОм	Rос1, кОм	R5, кОм	R7, кОм
1	0,5	1,0	0,5	1,0	2,0	3,2
2	0,7	1,2	0,8	1,5	2,7	3,6
3	1,0	1,5	1,0	2,2	3,2	4,7
4	1,2	1,7	1,2	2,4	3,6	2,0
5	1,4	2,0	1,4	2,7	4,7	2,7
6	1,6	0,5	2,0	2,5	1,0	3,2
7	1,8	0,7	2,2	3,6	1,5	3,6
8	0,2	1,0	0,5	3,2	3,2	4,7
9	0,4	1,2	0,8	2,5	3,6	2,0
10	0,6	1,4	1,2	2,4	1,0	2,7
11	0,8	1,6	1,6	3,0	1,4	3,6
12	1,0	1,8	1,4	2,0	1,6	4,7
13	1,2	2,0	1,2	2,7	2,0	5,2
14	1,4	0,2	0,5	1,2	2,2	4,7
15	1,6	0,4	0,8	1,4	2,5	3,6
16	1,8	0,6	1,0	2,2	3,0	2,0
17	2,0	0,8	1,2	3,6	3,6	3,2
18	0,4	1,0	0,5	3,0	1,0	3,6
19	0,6	1,2	0,8	3,2	1,6	4,7
20	0,8	1,4	1,2	2,0	2,0	5,1
21	1,0	0,2	1,4	2,4	2,2	2,0
22	1,2	0,4	1,6	3,6	2,5	2,7
23	1,4	0,6	2,0	4,7	3,0	3,2
24	1,6	0,8	2,2	4,2	3,6	4,7

Примечание: студенты, получившие подвариант А - строят амплитудную характеристику U_вых = F (U_вх2) для U_вх1 = const, U_вх2 = var; подвариант Б - строят амплитудную характеристику U_вых = F (U_вх1) для U_вх1 = var, U_вх2 = const; подвариант В - временные диаграммы U_вх1(t), U_вх2(t), U_вых(t).

Значения U_вх1 = const, U_вх2 = const берутся из таблицы вариантов. При построении временных диаграмм считать, что U_вх1 и U_вх2 являются постоянными напряжениями. Напряжение насыщения усилителя U_н^± = 7В.

Работа №6

Исследование суммирующего усилителя

Цель работы

Изучение схемы суммирующего усилителя на основе операционного усилителя.

Теоретическая часть

Для суммирующего усилителя используется инвертирующее включение операционного усилителя. В этой схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по напряжению (рис.1). Сопротивление обратной связи R_ос соединяет точки 6 и 2.

Схема усилителя приведена на рис.1.

Рис.1. Схема суммирующего усилителя

Пусть на инвертирующий вход поступают два сигнала U_вх1 и U_вх2, которые подключаются к точке 2 через резисторы R₂ и R₄. Операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, поэтому для него i_вхи?0, где i_вхи - входной ток инвертирующего входа. Тогда точка 2 является виртуальным нулем и справедливо уравнение

i₁ + i₂ = i_ос. (1)

Значения токов определяются из соотношений:

i₁ = ; i₂ = ; i_ос = . (2)

Выражения (2) подставляются в выражение (1):

+ = - , U_вых = - (U_вх1 + U_вх2), (3)

где , называются масштабными коэффициентами. Знак минус говорит об инверсии результата суммирования.

Масштабные коэффициенты применяются для того, чтобы усилитель работал на линейном участке амплитудной характеристики. Если необходимо ослабить значения U_вх1 и U_вх2, то < 1 и < 1. Если сумма наибольших значений U_вх1 и U_вх2 не превышает значения напряжения насыщения, то масштабные коэффициенты равны единице, а выражение (3) принимает вид:

U_вых = - (U_вх1 + U_вх2). (4)

Экспериментальная часть

1. Снятие амплитудной характеристики усилителя.

Снять амплитудные характеристики усилителя: U_вых = F(U_вх1) при U_вх2 = const и U_вых = F(U_вх2) при U_вх1 = const. Источники постоянных напряжений находятся на лабораторном стенде. При снятии характеристики установить заданное значение сопротивления обратной связи R_ос.

2. Суммирование импульсных напряжений.

Снять осциллограммы входных и выходных напряжений при разном времени задержки двух импульсов. Амплитуды импульсных напряжений установить согласно таблице вариантов, а время задержки импульсов - опытным путем.

3. Измерение переходных искажений.

При работе усилителя с периодическим импульсным сигналом переходные искажения проявляются в изменении времени фронта и среза импульса, а также вершины импульса.

3.1. Вначале установить U_вх2=0 и работать от одного импульса.

Замерить времена фронта у входного (U_вх1) и выходного импульса (рис. 2).

Рис.2. Измерение фронтов импульсов:

t_ф - время фронта; t_с - время среза

3.2. Изменением амплитуды входного сигнала u_вх1 при u_вх2=0 добиться искажения вершины импульса. Зарисовать осциллограммы u_вх1(t) и u_вых(t).

3.3. Установить u_вх1?0 и u_вх2?0 и зарисовать осциллограммы u_вх1(t) и u_вх2(t) и u_вых(t).

4. Оформление отчета.

По результатам опыта построить амплитудные характеристики и обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Почему операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения?

2. Что такое «виртуальный ноль» операционного усилителя?

3. Раскрыть назначение масштабных коэффициентов.

4. Как определить вид обратной связи в схеме суммирующего усилителя?

5. Чем ограничена величина суммирующих напряжений?

6. Какое влияние на работу усилителя оказывает резистор R₅?

7. Нужна ли балансировка суммирующего усилителя?

8. Что называется переходными искажениями?

9. Как определяются времена фронта и среза импульса?

10. Что такое переходные искажения в области малых времен и в области больших времен?

Таблица вариантов

№ вар.	Rос, кОм	Uвх1, В	Uвх2, В	№ вар.	Rос, кОм	Uвх1, В	Uвх2, В
1	6,8	6,5	1,0	13	4,7	1,0	1,0
2	10,0	1,0	0,5	14	6,8	1,5	1,5
3	22,0	1,5	1,0	15	10,0	2,0	2,0
4	33,0	2,0	1,5	16	22,0	2,5	2,5
5	47,0	2,5	2,5	17	33,0	3,0	3,0
6	100,0	3,0	3,0	18	47,0	4,0	4,0
7	4,7	0,5	0,5	19	6,8	2,0	2,0
8	6,8	1,0	1,0	20	10,0	2,5	2,5
9	10,0	1,5	1,5	21	22,0	3,0	3,0
10	22,0	2,0	2,0	22	33,0	3,5	3,5
11	33,0	2,5	2,5	23	47,0	4,0	4,0
12	47,0	3,0	3,0	24	6,8	2,0	2,0

Примечание: студенты, получившие подвариант А - строят амплитудную характеристику U_вых = F (U_вх2) для U_вх1 = const, U_вх2 = var; подвариант Б - строят амплитудную характеристику U_вых = F (U_вх1) для U_вх1 = var, U_вх2 = const; подвариант В - временные диаграммы u_вх1(t), u_вх2(t), u_вых(t). Напряжение насыщения усилителя U_н^± = 7 В.

Работа №7

Исследование усилителей на основе операционного усилителя

Цель работы

Изучение схем инвертирующего и неинвертирующего включения операционного усилителя.

Теоретическая часть

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.1. В цепи обратной связи усилителя включен резистор R₃, который создает параллельную отрицательную обратную связь по напряжению. Отрицательная обратная связь стабилизирует работу усилителя, то есть уменьшает дрейф нуля.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Пусть операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, тогда ток инвертирующего входа отсутствует, то есть I_вхи = 0. В этом случае точка 2 является виртуальным нулем, поэтому I = I_ос (1). Значение токов определяются из соотношений:

, . (2)

Знак минус в значении тока I_ос говорит о повороте фазы сигнала на выходе. На основании условия (1) получается выражение: (3), откуда определяется коэффициент усиления по напряжению усилителя с обратной связью: (4).

Коэффициент усиления по напряжению к_ос не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя к_оу, так как петлевое усиление ?*к_оу подчиняется соотношению ?*к_оу >>1, где ? - коэффициент передачи цепи обратной связи по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя приведена на рис.2. Выходное напряжение изменяется до значения насыщения U_н^±. Линейный участок амплитудной характеристики лежит в пределах изменения входного напряжения ?U_лин. По амплитудной характеристике определяется коэффициент усиления по напряжению:

(5).

Амплитудно-частотная характеристика усилителя представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты при постоянной амплитуде входного напряжения: U_выхm = F(f) при U_вхm = const. Амплитуда входного сигнала выбирается на линейном участке амплитудной характеристики. Из-за неизменной амплитуды U_вхm коэффициент усиления по напряжению К_ос будет изменяться так же, как и амплитуда выходного напряжения, то есть амплитудно-частотная характеристика усилителя определяется не только как U_выхm, но и как К_ос = F(f). Амплитудно-частотная характеристика приведена на рис.3.

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика

В усилителе отсутствует разделительный конденсатор и трансформаторы, поэтому он пропускает и усиливает постоянный ток и низкочастотные составляющие сигнала. Уменьшение выходного напряжения происходит в области высоких частот за счет паразитных емкостей, действующих параллельно входу и выходу усилителя.

Пусть усиление на низкой частоте происходит с коэффициентом К₀. При уменьшении коэффициента в раз или на 3 дб определяется полоса пропускания усилителя. Коэффициент частотных искажений на верхних частотах определяется из выражения .

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.4.

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

В схеме усилителя введена последовательная отрицательная обратная связь по напряжению. Из условия идеальности операционного усилителя получается равенство потенциалов на инвертирующем и неинвертирующем входах:

U₂ = U₃. (1)

Рис.5. Амплитудные характеристики неинвертирующего усилителя для трех значений R_ос

Значение потенциалов в точках 2 и 3 определяется из соотношения

, (2)

U₃ = e_г. (3)

На основании выражений (1) - (3) определяется коэффициент усиления по напряжению с обратной связью:

. (4)

Если отношение <1, то получается , а схема работает как неинвертирующий повторитель. Если отношение >1, то получается неинвертирующий усилитель. Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис.5.

R_ос1

При изменении параметров резисторов R₃ и R₄ изменяется наклон линейного участка характеристики. Амплитудно-частотная характеристика выглядит так же, как и инвертирующего усилителя.

Экспериментальная часть

1. Балансировка усилителя.

Собрать схему согласно рис.1. Сбалансировать усилитель. Для этого использовать потенциометр R₆, расположенный на плате операционного усилителя. Изменяя плечи потенциометра, добиться того, чтобы напряжение на выходе упало до нуля при заземлении точки 13 схемы. Выходное напряжение контролировать при помощи осциллографа.

2. Снятие амплитудной характеристики неинвертирующего усилителя на постоянном токе.

Снять амплитудную характеристику усилителя U_вых = F(U_вх) для заданного R_ос1. В качестве источника сигнала использовать регулируемое напряжение U_рег. Построить амплитудную характеристику (рис.2) и по ней определить коэффициент усиления К_ос, напряжения насыщений U_н⁺, U_н- и динамический диапазон изменения амплитуды входного сигнала.

3. Снятие амплитудных характеристик неинвертирующего усилителя при помощи осциллографа.

Снять амплитудные характеристики усилителя при помощи осциллографа для трех значений R_ос1: заданного и двух соседних. По характеристикам определить коэффициенты усиления. Для опыта необходимо подключить на инвертирующий вход в точку 13 генератор сигнала, используя у него переменный синусоидальный сигнал. В качестве источника переменного сигнала используется генератор синусоидальных и импульсных напряжений.

Для снятия зависимости данной величины от другой надо использовать два входа осциллографа: «Y» и «Х». Вход «Y» подключается к выходу усилителя в точку 6, а выход «Х» к входу усилителя в точку 13; развертка переключается в положение «Х».

4. Снятие амплитудно-частотной характеристики неинвертирующего усилителя.

Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя к_u = F(f) при U_вх = const для заданного значения R_ос1. Амплитуду выходного сигнала выбрать на линейном участке амплитудной характеристики. Сигналы u_вх, u_вых замерить осциллографом.

На амплитудно-частотной характеристике определить полосу пропускания усилителя 0…f_в для коэффициента частотных искажений на верхних частотах М_в = . Зарисовать u_вх(t) и u_вых(t) для частоты 1 кГц.

5. Снятие амплитудных характеристик неинвертирующего усилителя.

Собрать схему неинвертирующего усилителя согласно рис.4.

Снять амплитудные характеристики усилителя при помощи осциллографа для трех значений резистора R₃. Определить по характеристикам коэффициенты усиления и напряжения насыщения U_н⁺, U_н-.

6. Снятие амплитудно-частотной характеристики неинвертирующего усилителя.

Снять амплитудно-частотную характеристику неинвертирующего усилителя к_u = F(f) при U_вх = const для заданного значения R_ос1.

Зарисовать u_вх(t) и u_вых(t) для частоты 1 кГц. По АЧХ определить полосу пропускания усилителя для коэффициента частотных искажений на верхних частотах М_в=.

7. Оформление отчета.

По результатам опыта построить характеристики усилителей, определить их параметры, обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Как определяется вид обратной связи в усилителе?

2. Почему отрицательная обратная связь называется стабилизирующей обратной связью?

3. Почему параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление? Это является недостатком или достоинством?

4. Как вывести коэффициенты усиления по напряжению для инвертирующего и неинвертирующего усилителей?

5. Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

6. Что такое балансировка усилителя и как она осуществляется?

7. Что представляет собой операционный усилитель? Каковы его параметры?

8. Что называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя? Как по ней определяются полоса пропускания и коэффициент частотных искажений?

Таблица вариантов

№ вар.	Кu	Uн±, В	№ вар.	Кu	Uн±, В
1	2	6,3	13	20	6,3
2	4	9,0	14	15	9,0
3	6	12,0	15	10	12,0
4	10	15,0	16	5	15,0
5	15	6,3	17	2	6,3
6	20	9,0	18	10	9,0
7	2	12,0	19	15	12,0
8	4	15,0	20	20	15,0
9	6	6,3	21	25	6,3
10	8	9,0	22	30	9,0
11	10	12,0	23	5	12,0
12	15	15,0	24	10	15,0

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят амплитудную характеристику и временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t) для инвертирующего усилителя; подвариант Б - для неинвертирующего усилителя; подвариант В - вывод коэффициентов усиления по напряжению для усилителей.

Работа №8

Исследование компараторов на основе операционного усилителя

Цель работы

Изучение различных схем компараторов и их характеристик.

Теоретическая часть

Компаратором называется схема для сравнения двух напряжений. В зависимости от используемой элементной базы существуют аналоговые компараторы и цифровые. Аналоговые компараторы сравнивают величины напряжений порядка 1 - 15 В; цифровые компараторы сравнивают коды чисел.

Аналоговые компараторы разделяются на 4 вида: 1) одновходовые без обратной связи; 2) двухвходовые без обратной связи; 3) триггер Шмитта; 4) двухвходовый с положительной обратной связью.

1. Одновходовый компаратор без обратной связи

Схема компаратора приведена на рис.1.

Рис.1. Схема одновходового компаратора

Входное напряжение U_вх и опорное U_оп подаются на один вход, поэтому знаки напряжений должны быть разными. Переключение компаратора произойдет тогда, когда входное напряжение сравняется по величине с опорным и превысит значение U_оп на порог срабатывания операционного усилителя: |U_вх| ? |U_оп|.

Временные диаграммы работы компаратора приведены на рис.2.

Рис.2. Временные диаграммы работы одновходового компаратора

До момента времени t₁ (см. рис.2) состояние компаратора определяется опорным напряжением, которое подается на инвертирующий вход (см. рис.1). Для положительного значения U_оп на выходе получается отрицательное значение напряжения насыщения U_н^?. В момент времени t₁ компаратор переключается из одного состояния насыщения в другое - U_н⁺.

При изменении опорного напряжения характеристика смещается вдоль оси U_вх влево или вправо в зависимости от полярности напряжения U_оп.

Для U_оп = 0 получается амплитудная характеристика операционного усилителя.

Временные диаграммы работы для положительного значения напряжения U_оп и периодического входного сигнала приведены на рис.4. Выходное напряжение имеет вид прямоугольных знакопеременных импульсов, имеющих длительность t_и⁺ и t_и-.

Рис.4. Временные диаграммы одновходового компаратора для периодического входного сигнала

По осциллограмме выходного напряжения определяются коэффициенты заполнения для положительного и отрицательного импульсов:, .

2. Двухвходовый компаратор без обратной связи.

Схема компаратора приведена на рис.5. В ней напряжения U_оп и U_вх подаются на разные входы, поэтому знаки сравниваемых напряжений должны быть одинаковыми. Для подключения опорного напряжения необходимо на плате соединить точки 15 и 11.

Рис.5. Схема двухвходового компаратора

Временные диаграммы работы для нарастающего входного сигнала приведены на рис.6.

Рис.6. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора

До момента времени t₁ состояние компаратора определяется неинвертирующим входом, так как на нем действует большее по величине напряжение. Как только напряжение на инвертирующем входе превысит значение U_оп на порог срабатывания компаратора, так напряжение на выходе скачком меняется из состояния U_н⁺ в состояние U_н-. Временные диаграммы для периодического входного сигнала и отрицательного значения U_оп приведены на рис.7.

Рис.7. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора для периодического входного сигнала

3. Триггер Шмита.

Триггером называется схема с двумя устойчивыми состояниями равновесия, которая под действием входного сигнала переключается из одного состояния равновесия в другое и обладает памятью. Существуют аналоговые триггеры и цифровые. Аналоговый триггер выполняется на операционном усилителе. При построении схем триггеров применяется положительная обратная связь.

Схема триггера Шмитта приведена на рис.8.

Рис.8. Схема триггера Шмитта

Резистор обратной связи соединяет точки 6 и 3. В схеме введена последовательная обратная связь по напряжению, так как напряжение обратной связи U_ос пропорционально выходному напряжению и включено во входную цепь последовательно с входным сигналом.

Для определения знака обратной связи на вход задается сигнал любого знака, например, положительного. В точке 6 сигнал инвертируется, поэтому на схеме показан отрицательный сигнал, который передается на вход в точку 3, причем, . Во входном контуре получается согласное включение сигналов U_вх и U_ос (стрелки направлены в одну сторону). Знаки или фазы сигналов совпадают, поэтому связь - положительная. Положительная обратная связь приводит к уменьшению времени переключения компаратора и создает память триггера.

Амплитудная характеристика триггера Шмитта приведена на рис.9. Если на выходе схемы появляется положительное напряжение U_н⁺, то такой же знак имеет напряжение обратной связи U_ос. Для переключения операционного усилителя на инвертирующий вход необходимо подать положительное напряжение. Когда выполняется условие U_вх ? U_ос, тогда компаратор переключается в другое состояние насыщения U_н^?.

Для отрицательного выходного напряжения изменяется знак напряжения обратной связи на отрицательный. Чтобы переключить компаратор, необходимо на вход подать отрицательное напряжение, которое должно сравняться с напряжением обратной связи и превысить его на малую величину. В результате переключения усилителя под действием входного сигнала разной полярности получается релейная характеристика в виде петли гистерезиса (рис.9). Пока значение входного сигнала лежит в пределах петли, триггер сохраняет значение выходного сигнала. Это означает, что схема триггера обладает памятью. Значения напряжения U_ос называются пороговыми U_пор.

Рис.9. Амплитудная характеристика триггера Шмитта

4. Двухвходовый компаратор с положительной обратной связью

Рис.10. Схема двухвходового компаратора с положительной обратной связью

Схема компаратора приведена на рис.10. В ней включен источник опорного напряжения в цепь неинвертирующего входа, а входной сигнал - в цепь инвертирующего входа. В зависимости от полярности опорного напряжения петля амплитудной характеристики сдвигается от нуля влево или вправо. На рис.11 изображена амплитудная характеристика для U_оп >0.

Рис.11. Амплитудная характеристика двухвходового компаратора с положительной обратной связью

Экспериментальная часть

1. Снятие амплитудной характеристики операционного усилителя.

Снять амплитудную характеристику операционного усилителя для U_оп = 0. Для этого вертикальный вход осциллографа подключить к выходу усилителя, а горизонтальный вход - к инвертирующему входу.

2. Снятие амплитудной характеристики одновходового компаратора.

Снять амплитудную характеристику одновходового компаратора для U_оп ? 0. Значение опорного напряжения взять из таблицы вариантов.

3. Снятие амплитудной характеристики триггера Шмита.

Амплитудная характеристика триггера Шмитта снимается также как и амплитудная характеристика одновходового компаратора: вертикальный вход осциллографа подключается к выходу, а горизонтальный - к инвертирующему входу.

4. Снятие амплитудной характеристики двухвходового компаратора.

Снять амплитудную характеристику двухвходового компаратора с положительной обратной связью для U_оп ? 0. Подключение осциллографа остается таким же как в п.3, а в цепь неинвертирующего входа подключается опорное напряжение.

5. Исследование работы компараторов от переменного входного сигнала.

5.1. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), U_оп(t), u_вых(t) для U_оп ? 0. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.

5.2. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), u_вых(t) триггера Шмитта. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.

5.3. Зарисовать осциллограммы напряжений u_вх(t), U_оп(t), u_вых(t) двухвходового компаратора с положительной обратной связью.

Снять зависимость коэффициента заполнения ?^± от опорного напряжения U_оп^±.

Контрольные вопросы

1. Что называется компаратором?

2. Зачем в схему компаратора включается опорное напряжение?

3. Зачем в компаратор включается положительная обратная связь?

4. В каких случаях применяется одновходовый компаратор?

5. Что такое амплитудная характеристика и как она выглядит для разных схем компараторов?

6. Как повысить помехоустойчивость триггера Шмитта?

7. Что такое коэффициент заполнения? Как изменяется коэффициент заполнения от опорного напряжения при синусоидальном входном сигнале в разных схемах компараторов?

Таблица вариантов

№ вар.	Uоп, В	Uвхm, В	, В	№ вар.	Uоп, В	Uвхm, В	, В
1	0,5	4,0	0,3	13	0,5	3,0	0,4
2	1,0	5,0	0,5	14	1,0	4,0	0,6
3	1,5	6,0	1,0	15	1,5	3,5	1,0
4	2,0	5,0	1,5	16	2,0	4,0	0,5
5	2,5	6,0	1,0	17	2,5	4,5	1,0
6	3,0	5,0	1,5	18	3,0	6,0	0,5
7	0,5	3,0	0,3	19	0,5	4,0	1,0
8	1,0	3,5	0,5	20	1,0	3,5	0,3
9	1,5	4,0	0,8	21	1,5	4,0	0,5
10	2,0	4,5	1,0	22	2,0	4,5	1,0
11	2,5	3,0	1,5	23	2,5	5,0	1,5
12	3,0	5,0	1,0	24	3,0	5,5	1,0

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_оп(t) для двухвходового компаратора; подвариант Б - временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_пор(t) для триггера Шмитта; подвариант В - временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t), u_оп(t), u_пор(t) для двухвходового компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Напряжение насыщения усилителя U_н^± = 7 В.

Работа № 9

Исследование биполярного транзистора

Цель работы

Изучение характеристик и параметров биполярного транзистора.

Теоретическая часть

В биполярном транзисторе два типа носителей заряда (электроны и дырки) участвуют в процессе протекания тока. Кроме того, транзистор содержит две цепи: входную и выходную. Входная цепь транзистора состоит из перехода эмиттер-база, который включается в прямом направлении, а выходная цепь состоит из перехода коллектор-база, который включается в обратном направлении.

По типу основных носителей, которые перемещаются в структуре, различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p. В транзисторе типа n-p-n основные носители - электроны, а в транзисторе типа p-n-p - дырки. По способу перемещения основных носителей через базу различают диффузионные и дрейфовые транзисторы.

Дрейфовые транзисторы имеют более тонкую базу, в которой характер перемещения основных носителей - дрейфовый. В диффузионных транзисторах время перемещения основных носителей через базу больше чем в дрейфовых. Статические характеристики и параметры диффузионных и дрейфовых транзисторов одинаковые, а динамические параметры разные. Дрейфовые транзисторы относятся к высокочастотным полупроводниковым приборам и используются в интегральных схемах или в виде отдельных полупроводниковых приборов. Схема включения транзисторов в статическом режиме с общей базой приведена на рис.1. Стрелками на структуре показано перемещение электронов.

Рис.1. Схема включения с общей базой в статическом режиме

Под действием прямого напряжения U_э происходит диффузия электронов из эмиттера в базу. Потенциальный барьер перехода П₁ не препятствует диффузии, т.к. его ослабляет внешнее напряжение. В базе происходит диффузионное перемещение электронов от перехода П₁ к переходу П₂, если рассматривается транзистор диффузионного типа. В процессе диффузионного перемещения происходит рекомбинация электронов и дырок. Если заполненные электронные связи получаются устойчивыми, то к переходу П₂ подходят не все электроны, которые были инжектированы в базу из эмиттера.

В результате актов рекомбинации база теряет электрическую нейтральность и приобретает избыточный отрицательный заряд. Между слоем базы и ее выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны, в результате чего появляется ток базы.

Основная масса электронов подходит к коллекторному переходу П₂ и под действием напряжения U_к дрейфует в коллектор. Слой коллектора приобретает избыточный отрицательный заряд, поэтому между слоем коллектора и его выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны. По аналогии с цепью коллектора в цепи эмиттера протекает ток, вызванный избыточным положительным зарядом эмиттера. Таким образом, протекание токов в цепях эмиттера, базы и коллектора связано с поддержанием электрической нейтральности слоев транзистора.

Для взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов необходимо, чтобы слой базы был достаточно тонким, например, для диффузионного транзистора ширина базы составляет десятки мкм. Передача тока из эмиттерной цепи в коллекторную определяется коэффициентом ?. Различают статический коэффициент передачи тока эмиттера и дифференциальный:

, . (1)

На линейных участках характеристик транзистора статический и дифференциальный коэффициент передачи одинаковы, поэтому для линейного режима работы используется одно значение ?.

Из схемы включения транзистора следует основное уравнение для токов:

. (2)

В цепи коллектора необходимо учесть ток неосновных носителей, который протекает под действием источника E_к. Этот ток определяется при оборванном эмиттере и обозначается I_к0 (рис.2). С учетом обратного тока коллектора I_к0 значение выходного тока в схеме с общей базой определяется выражением:

. (3)

Рис.2. Схема включения с общей базой при I_э = 0

Влияние выходного напряжения на ток коллектора зависит от дифференциального сопротивления коллекторного перехода r_к и определяется соотношением U_к/r_к. Уравнение выходного тока для линейного участка вольтамперной характеристики имеет вид:

. (4)

Схема включения с общим эмиттером приведена на рис.3. В этой схеме на вход и на выход подаются регулируемые напряжения U_брег и U_крег. Эмиттер является общим электродом для входа и выхода. Принцип действия биполярного транзистора не изменяется при изменении схемы включения, так как эмиттерный переход П₁ включается в прямом направлении, а коллекторный П₂ - в обратном. В отличие от схемы с общей базой напряжение U_крег подключается к двум p-n-переходам П₁ и П₂. Из-за этого в области базы появляется избыточный отрицательный заряд, если разомкнута цепь эмиттера. Отрицательный заряд скапливается у границы перехода П₂ и вызывает полевой пробой этого перехода, поэтому в схемах включения с общим эмиттером и общим коллектором нельзя включать транзистор с оборванной базой. Данное условие необходимо соблюдать для биполярных транзисторов разной мощности, особенно для средней и большой. В паспортных данных биполярных транзисторов указывается минимальный ток базы или внешнее сопротивление в цепи базы, при которых не происходит пробоя коллекторного перехода.

Рис.3. Схема включения с общим эмиттером

Выражение выходного тока для схемы с общим эмиттером получается на основе уравнения выходного тока схемы с общей базой. В выражение (4) подставляется выражение (2):

. (5)

После преобразования выражения (5) получается коллекторный ток, зависящий от параметра ?:

. (6)

В выражении (6) каждое слагаемое можно рассмотреть отдельно:

; ; , (7)

где В - коэффициент передачи тока базы, причем, различают статический коэффициент передачи и дифференциальный; на линейных участках характеристик статический и дифференциальный коэффициенты одинаковы;

I_к0' - обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером;

r_d - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с общим эмиттером.

; при U_к = const. (8)

; при I_б = const. (9)

Для оценки параметров транзистора зададим коэффициент передачи тока эмиттера ?=0,98 и подсчитаем параметры В, r_d, I_к0':

; ; . (10)

Из соотношения (10) следует, что в схеме с общим эмиттером происходит усиление тока базы, поэтому коэффициент передачи В называется коэффициентом усиления тока базы. Выходное сопротивление транзистора r_d уменьшается, а ток I_к0' возрастает по сравнению со схемой включения с общей базой.

Уравнение выходного тока с учетом соотношений (7) запишется в виде:

. (11)

Для графоаналитического расчета усилительных каскадов используются статические характеристики транзистора: входные I_б = F(U_б) при U_к = const; выходные I_к = F(U_к) при I_б = const; передачи по току I_к = F(I_б) при U_к = const.

Входные характеристики имеют вид, аналогичный прямой вольтамперной характеристике диода (рис.4). С ростом коллекторного напряжения характеристики сдвигаются вправо, так как происходит расширение коллекторного перехода в сторону базы и вследствие этого уменьшение ширины базы, а значит - базового тока. Влияние коллекторного напряжения на ток базы незначительное, так как базовый ток в основном определяется прямым напряжением, поступающим на базу.

Рис.4. Входные характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора имеют вид, аналогичный вольтамперным характеристикам диода в обратном включении (рис.5а). Принято изображать выходные характеристики в первом квадранте (рис.5б). Первая характеристика представляет собой обратный ток коллектора, который протекает при нулевом полезном сигнале в цепи базы (рис.6). По выходным характеристикам определяются выходное сопротивление транзистора r_d в схеме с общим эмиттером и коэффициент усиления тока базы В.

а) б)

Рис.5. Выходные характеристики транзистора

Рис.6. Контур протекания обратного тока I_к0'

При включении нагрузки в цепь коллектора (рис.7) транзистор работает в квазистатическом (нагрузочном) режиме. Значение тока коллектора определяется из уравнения 2-го закона Кирхгофа, составленного для выходной цепи:

, (12)

. (13)

Рис.7. Схема с общим эмиттером в нагрузочном режиме

Из выражения (13) определяются точки холостого хода и короткого замыкания выходной цепи:

i_к = 0, u_к = Е_к; u_к = 0, . (14)

По точкам холостого хода и короткого замыкания строится нагрузочная прямая на выходных характеристиках транзистора (рис.8). Прямая пересекает три области работы: область отсечки, активную область усиления и область насыщения.

Рис.8. Области работы транзистора в нагрузочном режиме

Область отсечки находится ниже характеристики обратного тока коллектора I_к0'. На рис.8 рабочей точкой отсечки является точка 1. На коллекторе действует напряжение отсечки U_котс. Мощность, рассеиваемая на транзисторе в режиме отсечки, равна: .

Активная область усиления расположена между рабочими точками 1 и 4, где выходной ток изменяется пропорционально входному току: I_к = В*I_б. Область называется активной, т.к. на ней происходит усиление сигнала за счет внутренних свойств транзистора и взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов. В этой области на транзисторе рассеивается наибольшая мощность, определяемая рабочей точкой: P_акт = I_к*U_к.

Область насыщения находится между осью тока и выходными характеристиками, которые сливаются в одну линию при малых напряжения коллектора. Рабочей точкой насыщения является точка 4, в которой ток коллектора достигает значения насыщения. При увеличении тока базы I_б ? I_б3 ток коллектора не изменяется, а напряжение достигает значения насыщения U_кэн. Мощность, рассеиваемая на транзисторе равна: P_н = I_кн*U_кэн. Причем, в режиме насыщения рассеиваемая мощность больше, чем в режиме отсечки.

Экспериментальная часть

Рис.9. Схема для снятия статических характеристики транзистора

1. Снятие входной характеристики.

Снять входную характеристику транзистора I_б = F(U_б) при постоянном значении Е₂. Построить входную характеристику и определить по ней входное сопротивление: . Входная характеристика показана на рис.10.

2. Снятие характеристики передачи в статическом режиме.

Построить характеристику передачи. Определить по ней коэффициент усиления тока базы . Характеристика передачи транзистора показана на рис.11.

Рис.10. Входная характеристика транзистора

Рис.11. Статическая характеристика передачи транзистора

3. Снятие характеристики передачи в нагрузочном режиме.

Для этого в цепь коллектора включить резистор R_к согласно заданному варианту. Схема включения приведена на рис.12.

Построить характеристику I_к = B(I_б) при R_к = const. По ней найти токи насыщения базы и коллектора, а также коэффициент усиления тока. Определение этих величин по характеристике показано на рис.13.

Рис.13. Характеристика передачи в нагрузочном режиме

Коэффициент усиления по току . (15)

4. Снятие выходных характеристик транзистора.

Выходные характеристики снимаются при изменяющемся токе коллектора. Для этого в цепь коллектора подается положительная полуволна напряжения, которая получается в результате однополупериодного выпрямления напряжения ~6,3 В. Схема включения приведена на рис.14.

По выходным характеристикам определить выходное сопротивление транзистора:

. (16)

Определение r_d показано на рис.15.

Рис. 15. Выходные характеристики транзистора

5. Оформление отчета.

При оформлении отчета представить таблицы измерений, характеристики транзистора, определение параметров по характерситикам. Сделать выводы по каждому пункту.

Контрольные вопросы

1. Что такое электронная и дырочная проводимости полупроводника?

2. Чем отличаются транзисторы типа n-p-n и p-n-p?

3. Показать подключение транзисторов типа n-p-n и p-n-p к источникам входной цепи?

4. Изобразить характеристики передачи биполярного транзистора в статическом режиме и нагрузочном?

5. Какой параметр транзистора определяется по характеристике передачи?

6. Как выглядят выходные характеристики транзистора и какие параметры определяются по ним?

7. Как влияет температура на выходные характеристики транзистора?

8. Как смещается линия нагрузки на выходных характеристиках, если сопротивление нагрузки возрастает (уменьшается)?

Таблица вариантов

№ вар.	Eк, В	Rк, кОм	№ вар.	Eк, В	Rк, кОм
1	6	1,5	13	6	1,3 (1,5//10)
2	7	1,5	14	6	1,8 (2,2//10)
3	8	1,8 (2,2//10)	15	8	2,2
4	9	1,8 (2,2//10)	16	9	2,2
5	10	2,2	17	10	2,48 (3,3//10)
6	11	2,48 (3,3//10)	18	11	2,2
7	6,5	1,5	19	6,5	1,3 (1,5//10)
8	7,5	1,5	20	7,5	1,8 (2,2//10)
9	8,5	1,8 (2,2//10)	21	8,5	2,2
10	9,5	2,2	22	9,5	2,48 (3,3//10)
11	10,5	2,2	23	10,5	2,48 (3,3//10)
12	11,5	2,48 (3,3//10)	24	11,5	2,7 (3,3//15)

Примечание: студенты, получившие подвариант А - строят нагрузочную прямую на выходных характеристиках транзистора; подвариант Б - строят характеристику передачи в статическом режиме; подвариант В - строят характеристику передачи в нагрузочном режиме.

Работа №10

Исследование интегрирующего усилителя

Цель работы

Изучение свойств интегрирующего усилителя на основе операционного усилителя.

Теоретическая часть

Схема усилителя приведена на рис.1.

Рис.1. Схема интегрирующего усилителя

В цепи обратной связи включены конденсатор С и резистор R₇ = 470 кОм. Резистор R₇ создает отрицательную обратную связь по постоянному току, что позволяет уменьшить дрейф нуля усилителя. Конденсатор С пропускает переменные составляющие сигнала и осуществляет операцию интегрирования.

Пусть частота сигнала 10⁴ Гц, емкость конденсатора 3,3 нФ, тогда

. (1)

Получается относительно малое сопротивление x_с по сравнению с R₇, поэтому током i₁ можно пренебречь.

Пусть операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, тогда ток i_вхu = 0. Точка 2 является виртуальным нулем, поэтому i = i_oc.

Значение токов определяется из соотношений:

, (2)

, (3)

, (4)

,

. (5)

На основании выражения (5) определяется временная функция выходного напряжения:

, (6)

где U_вых(0) - начальное напряжение на конденсаторе.

Пусть U_вых(0) = 0, а на вход подается скачек напряжения с амплитудой

U_m. Тогда , (7)

где R₄С = ? - постоянная времени интегрирования.

Работа интегрирующего усилителя для скачка входного напряжения приведена на рис.2.

Рис.2. Временные диаграммы работы интегрирующего усилителя для скачка входного напряжения

Если на вход усилителя подается прямоугольное знакопеременное напряжение, то на выходе получается пилообразное напряжение. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу усилителя, приведены на рис.3.

Рис.3. Временные диаграммы интегрирующего усилителя для периодического прямоугольного сигнала

При построении рис.3 начальное напряжение U_вых(0) принято равным 0. Амплитудное значение выходного напряжения U_пm достигается за четверть периода Т прямоугольного сигнала или половину длительности импульса t_u:

, , где f - частота входного сигнала.

Тогда значение амплитуды определяется выражением: (8)

При расчете и построении временных диаграмм напряжение U_m принимается равным 3 В.

Экспериментальная часть

1. Балансировка усилителя.

Собрать схему согласно рис.1. При отсутствии входного сигнала добиться нулевого значения выходного напряжения. Напряжение на выходе контролировать при помощи осциллографа.

2. Работа генератора пилообразного напряжения.

Исследовать работу генератора пилообразного напряжения. Для этого в точку 14 схемы подать прямоугольное знакопеременное напряжение от генератора сигнала, используя у него выход «». Установить заданную частоту f и амплитуду входного напряжения U_m. Зарисовать осциллограммы u_вх(t) и u_вых(t). Сравнить с расчетом по значениям U_m, f, U_пm.

3. Снятие зависимости амплитуды выходного напряжения от частоты.

При изменении частоты прямоугольного входного сигнала контролировать изменение амплитуды U_пm = F(f). Результаты измерений занести в таблицу.

4. Оформление отчета.

По результатам опыта построить зависимость U_пm = F(f), определить U_пm для заданной частоты и обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Что означает понятие «Виртуальный ноль»?

2. Как изменить постоянную времени интегрирования?

3. Что произойдет с выходным напряжением интегрирующего усилителя, если смещается ноль усилителя?

4. Как определить вид обратной связи в усилителе?

5. Что произойдет в схеме, если изменяются R₄, R₇, R₅, С?

6. Как влияет частота входного сигнала на выходное напряжение схемы?

Таблица вариантов

№ вар.	С, нФ	f, кГц	№ вар.	С, нФ	f, кГц
1	1.0	40	13	6.8	5
2	1.5	30	14	3.3	20
3	2.2	35	15	2.2	25
4	3.3	10	16	10.0	10
5	6.8	8	17	6.8	13
6	10.0	4	18	3.3	19
7	6.8	6	19	2.2	28
8	3.3	15	20	1.0	62.5
9	2.2	30	21	1.5	55.5
10	1.5	25	22	2.2	40
11	1.0	50	23	3.3	25
12	10	3	24	10.0	8.0

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы u_вх(t), u_вых(t); подвариант Б - изображают варианты схем интегрирующих усилителей; подвариант В - расчет выходного напряжения с учетом резистора R₇.