Изучение выходных характеристик транзисторов.

5.1.* Измерение выходных характеристик биполярного транзистора.

Откройте файл «vax - vt. ewb», используя «Electronics Workbench». Наблюдайте выходные характеристики идеального биполярного транзистора, которые строятся для восьми разных базовых токов в схеме с общим эмиттером. Замените транзистор с учетом табл. 9.1 и наблюдайте выходные характеристики. Обратите внимание на отличие реальных характеристик от идеальных. Рассчитайте значение коэффициента усиления по току, используя определенные вами масштабные коэффициенты по току и измерив соответствующее приращению тока коллектора приращение тока базы с помощью V 1. Для измерения базового тока необходимо подключить к каналу B преобразователь V 1 вместо V 2. Можно измерить при этом максимальные значения токов коллектора и базы. Проверьте справедливость расчетов, сравнив результат с параметром транзистора. Запишите результаты в отчет.

5.2.* Измерение выходных характеристик полевого транзистора.

Откройте файл «vax - vt - mos. ewb». Наблюдайте выходные характеристики идеального транзистора, которые строятся для восьми разных напряжений на затворе. Рассчитайте крутизну характеристики транзистора и занесите результаты в отчет.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое выходные характеристики транзистора?

2. Как определяется коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером?

3. Как рассчитывается крутизна характеристики полевого транзистора?

4. Каково входное сопротивление полевого транзистора?

5. Объясните работу предложенных на рисунках усилительных каскадов и транзисторных ключей с привлечением временных диаграмм сигналов во всех точках обсуждаемых схем.

6. Объясните назначения компонентов рассматриваемых схем.

7. Почему емкость коллекторного перехода сильно влияет на быстродействие транзисторного ключа?

8. Зачем используются диоды Шотки в транзисторных ключах?

9. Почему транзисторный ключ на КМДП-транзисторах в статике почти не потребляет ток от источника питания?

10. Какие токи могут наблюдаться при переключении ключа на КМДП-транзисторах?

11. Что такое амплитудно-частотная характеристика?

12. Почему транзисторный ключ в ТТЛ закрывается (выключается) быстрее, чем в ДТЛ?

13. Какой коэффициент связывает коллекторный ток с током базы в схеме с общим эмиттером при линейном режиме работы?

14. Каковы достоинства дифференциального каскада?

15. Покажите картины токов, протекающих в схемах транзисторных ключей при разных состояниях входного сигнала.

16. Покажите картины токов, протекающих в схемах усилительных каскадов в линейном режиме.

 

Лабораторная работа № 10

Изучение свойств и возможных применений операционных усилителей

 

Цель работы: изучение основных параметров и возможных применений операционных усилителей.

 

 

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, имеющий весьма большой коэффициент усиления по напряжению k_u, приспособленный к работе с цепями отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но обладает многими положительными свойствами. Она позволяет обеспечивать с высокой точностью зависимость свойств всей схемы, собранной с использованием ОУ, только от используемых внешних деталей (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности) и их параметров, т.е. зависимости свойств всей схемы в разумном частотном диапазоне от коэффициента усиления самого операционного усилителя практически не будет. Разумная замена ОУ на другой усилитель не приведет к изменению параметров всей схемы. На рис. 10.1 приведены условные обозначения ОУ без цепей питания (а) и с цепями питания (б). Если цепи питания не указаны, то на принципиальной схеме они указываются дополнительно, например, текстом, чтобы не затемнять основные информационные цепи изображенной схемы. Основное уравнение, описывающее поведение ОУ, следующее:

,

где U_out – выходное напряжение усилителя относительно общего провода, имеющего нулевой потенциал; k_u – коэффициент усиления по напряжению ОУ (обычно более 50 000); U ₊ – напряжение на прямом входе; U _– – напряжение на инвертирующем (полярность!) входе.

                                      а)                                         б)

Рис. 10.1. Условные обозначения операционного усилителя
в программе «Electronics Workbench»

Если напряжение двухполярного питания ОУ равно 15 В
(см. рис. 10.1, б), то выходное напряжение не может выходить за этот диапазон и при сохранении заданного коэффициента усиления может лежать в диапазоне от – U _min > –15 В до + U _max < 15 В. При работе в заданном диапазоне усилитель сохраняет линейный режим работы, т.е. режим, в котором любое сколь угодно малое изменение разности входных напряжений U ₊ – U _– вызывает пропорциональное изменение выходного напряжения с учетом коэффициента усиления по напряжению k_u: U_out = k_u (U ₊ – U _–). При использовании операционных усилителей с цепями отрицательной обратной связи в предположении, что выходной сигнал усилителя не достигает предельных своих значений (т.е. ОУ работает в линейной области, когда справедлива линейная зависимость выходного сигнала от разности входных сигналов), для расчета схемы можно пользоваться двумя простыми правилами:

· входное сопротивление усилителя чрезвычайно велико, что позволяет не учитывать входной ток;

· усилитель за счет отрицательной обратной связи всегда обеспечивает равенство напряжений на своих входах:

U_– = U₊.

Рассмотрим несколько схем, представляющих практический интерес.

Предложенная на рис. 10.2, а схема на выходе повторяет входной сигнал без всяких изменений, т.е. U_out = U_in. Но она имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное, что позволяет ее использовать при приеме сигнала от высокоомного источника.

 

                              а)                                                б)

Рис. 10.2. Повторитель (а) и суммирующий усилитель (б)

 

С учетом первого правила расчета схем для инвертирующего входа ОУ справедливо равенство:

I 1 + I 2 = I 3,

где I 1, I 2, I 3 – токи через соответствующие резисторы.

Учитывая тот факт, что U ₊ = 0 и второе правило расчета, при
котором инвертирующий вход усилителя оказывается потенциально заземленной точкой (U _– = U ₊ = 0), можно составить уравнение:

.

Из этого уравнения следует

.

Каждое входное напряжение умножается на свой масштабный коэффициент, выходное напряжение равно сумме входных взвешенных напряжений со знаком минус. Входное сопротивление предложенной схемы определяется сопротивлениями входных резисторов: R 1, R 2.

Рассмотрим еще две схемы, представляющие интерес (рис. 10.3).

 

                               а)                                                     б)

 

Рис. 10.3. Не инвертирующий полярность (а) и инвертирующий
полярность (б) масштабирующие усилители

 

Для не инвертирующего полярность усилителя (см. рис. 10.3, а) справедливы равенства:

Второе равенство составлено из тех соображений, что токи резисторов R 1, R 2 равны.

Из этих равенств можно вывести следующее уравнение:

,

т.е. данная схема, обладая высоким входным сопротивлением, имеет коэффициент усиления, равный k:

Для инвертирующего полярность усилителя (см. рис. 10.3, б) справедливы равенства:

Из этих равенств следует

,

т.е. коэффициент усиления этого усилителя равен

Предложенная на рис. 10.4, а схема позволяет не только осущест-влять масштабирование входного сигнала изменением положения движка потенциометра, но и изменять фазу передаваемого сигнала
на 180º. Схема испытания ее поведения с изменением положения движка потенциометра R 3 показана на рис. 10.4, б.

                     а)                                                            б)

 

Рис. 10.4. Масштабирующий фазовращатель (а)
и схема изучения принципа его работы (б)

 

Операционные усилители находят широкое применение в аналоговых фильтрах, осуществляющих спектральное преобразование сигнала. Находят они применение и для нелинейных преобразований аналогового сигнала.

Порядок выполнения работы

Работасостендом