Аналоговая электроника

3.4. Лабораторная работа № 8

Усилитель на полевом транзисторе с управляемым p-n – переходом

Цель работы: Изучение принципа работы полевого (униполярного)

транзистора с управляемым p-n –переходом и каналом n – типа в составе усилителя по схеме с общим истоком, измерение его основных характери-

стик.

Выполнение лабораторной работы

Подготовка к работе.

1.Изучить соответствующую теоретическую часть данного раздела.

2.Определить крутизну сток - затворной характеристики полевого транзистора, приведенной на рис. 7а (в окрестностях точки А), ис-

пользуя формулу (10).

3.Определить коэффициент усиления усилителя рис. 11, используя значение крутизны, полученное в п. 2 и формулу (11).

Рис. 11. Схема для измерения характеристик усилителя на полевом транзисторе с управляемым p-n –переходом

71

Практическое выполнение работы.

1.Собрать схему усилителя, приведенную на рис. 11, используя по-

левой транзистор с каналом n – типа (КП303Е). Обратить внима-

ние на правильность подключения полярности электролитическо-

го конденсатора С3, предназначенного для исключения отрица-

тельной обратной связи по переменному напряжению.

2.Установить частоту входного синусоидального напряжения 1 кГц и его действующее значение 0,2 В.

3.Измерить входное Uвх и выходное Uвых напряжения с помощью мультиметров. Используя осциллограф, зарисовать их осцилло-

граммы, определить угол фазового сдвига φ между ними. Внима-

ние! При пользовании осциллографом, его общий провод соеди-

нять с общим проводом схемы.

4.Определить коэффициент усиления по напряжению усилителя КU,

используя соотношение:

КU = Uвых / Uвх.

5.Определить входное сопротивление усилителя Rвх. Для этого включить перед конденсатором С1 = 0,22 мкФ добавочный рези-

стор Rдоб = 10 кОм, что вызовет уменьшение выходного напряже-

ния Uвых усилителя от U1 до U2. Тогда входное сопротивление усилителя Rвх можно вычислить следующим образом:

Rвх.= Rдоб / (U1 / U2 – 1).

6.Определить выходное сопротивление усилителя Rвых. Для этого включить нагрузочный резистор Rн = 10 кОм параллельно выходу усилителя (на схеме параллельно V2). Это также вызовет умень-

шение выходного напряжение от U1 до U2 (для данного случая).

Выходное сопротивление усилителя можно вычислить, используя соотношение:

Rвых.= Rн·(U1 / U2 – 1).

72

8.Полученные экспериментальные результаты сравнить с расчетными и отразить в выводах.

Контрольные вопросы и задания

1.Пояснить принцип работы и практическое применение полевого транзистора.

2.В каких режимах может работать полевой транзистор?

3.Привести возможные схемы включения полевого транзистора. По-

яснить их достоинства и недостатки.

4. Пояснить принцип выбора рабочей точки на характеристиках транзистора.

6. Пояснить принцип автосмещения напряжения при расчете усили-

теля на полевом транзисторе с управляемым p-n –переходом.

5. Перечислите основные характеристики усилительных каскадов.

3.5.Рекомендуемая литература

1.Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. М., Энергоатомиздат, 1991 г.

2.Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М. Радио и связь, 1990 г.

3.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем: М. Энергия, 1973 г.

4.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство: Пер. с нем.–М.: Мир, 1982.–512 с

5.Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн. 3.

Электрические измерения и основы электроники, Под ред. В.Г. Герасимо-

ва. – М. Энергоатомиздат, 1998 г.

73

4.Операционные усилители

4.1.Теоретическая часть

4.2.Устройство и принцип действия

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения,

предназначенный для выполнения математических операций с аналоговы-

ми сигналами. Основными операциями, выполняемыми с помощью ОУ,

являются следующие: усиление (ослабление), сложение (вычитание), ин-

тегрирование (дифференцирование), логарифмирование (потенцирование)

и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей обратной связи,

содержащих различные элементы: резисторы, емкости, индуктивности,

диоды, стабилитроны, транзисторы и т.д. Поскольку все операции, выпол-

няемые при помощи ОУ, должны иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением, с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это зна-

чит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности,

следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротив-

ление должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен быть очень широким (от постоянного напряжения до максимально достижимой высокой частоты). Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения, напряже-

ние на его входе должно быть близким к нулю.

Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме,

а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух вхо-

дов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения на про-

тивоположную и поэтому называется инвертирующим, а другой не изме-

74

няет полярности выходного напряжения и называется - неинвертирующим.

Условное графическое обозначение дифференциального операцион-

ного усилителя приведено на рис. 1а. Инвертирующий вход можно отме-

чать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него двух напряжений питания разной полярности: +Еп и -Еп. Положительное и отрицательное напряже-

ние питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод од-

новременно является общим выводом для входных и выходного сигналов

(в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

Рис. 1. Условное графическое обозначение дифференциального операционного усилителя (а), инвертирующего (б)

и неинвертирующего (в)

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входов, один из которых будет инвертирующим

(рис. 1б), а другой - неинвертирующим (рис. 1в). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле

Uвых = (Uвх1-Uвх2)·А, (1)

где А→∞ - коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно Uвых = -Uвх2 А,

а для неинвертирующего Uвых = -Uвх1 А. Разностное напряжение (Uвх1-Uвх2) = Uдиф - называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела,

75

это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфаз-

ным Uсф = Uвх1= Uвх2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой

(1) выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Подача на вход ОУ дифференциального (а) и синфазного (б) сигналов

Дифференциальный ОУ можно заменить его схемой замещения. Для идеального ОУ можно воспользоваться схемой замещения, приведенной на рис. 3а. В этой схеме замещения на выходе включен источник напряжения

Uвых, управляемый дифференциальным входным напряжением Uдиф =Uвх1- Uвх2, в соответствии с уравнением (1). Входные токи в этой схеме отсутст-

вуют, так как входное сопротивление считается равным бесконечности.

Если учесть свойства реального усилителя, то схема замещения дифферен-

циального ОУ, приведенная на рис. 3б, будет содержать источники вход-

ных токов iвх+ и iвх-, входное сопротивление rвх, источник напряжения сме-

щения нулевого уровня eсм и выходное сопротивление rвых. Использование этой схемы замещения позволяет учесть влияние на выходной сигнал внутренних сопротивлений источников сигнала и сопротивления нагрузки,

76

а также смещение нулевого уровня, обусловленное наличием источников входных токов iвх+ и iвх- и напряжения eсм.

Рис. 3. Схема замещения дифференциального операционного усилителя: идеального (а) и реального (б)

Схемы замещения ОУ, приведенные на рис. 3, можно использовать для расчета схем с ОУ в статическом режиме, однако для анализа динами-

ческих свойств ОУ они непригодны. В интегральных ОУ для обеспечения устойчивости в широкой полосе частот используется частотная коррекция усиления, которая обеспечивает снижение усиления с ростом частоты.

Обычно эта частотная коррекция представляет собой интегрирующее зве-

но, у которого коэффициент передачи обратно пропорционален частоте.

Основные характеристики операционных усилителей можно раз-

делить на две группы: статические и динамические. К статическим отно-

сятся характеристики, определяющие работу ОУ в установившемся режи-

ме:

–коэффициент усиления на постоянном напряжении К(0) = ΔUвых/ΔUвх;

–напряжение смещения нулевого уровня eсм - это напряжение, кото-

рое нужно приложить ко входу ОУ, чтобы сделать Uвых = 0;

77

–входные токи iвх+ и iвх- - это токи протекающие через входные цепи

ОУ;

–разность входных токов iвх = iвх+ - iвх-;

–температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня Δeсм/ΔТ;

–температурный коэффициент разности входных токов iвх/ Т;

–коэффициент ослабления синфазного сигнала Коос - это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту уси-

ления синфазного сигнала Кдиф / Ксф = Коос;

–максимальный выходной ток Iвых.макс.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) fпр = f1

и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения Vuвыхмах.

Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется с помощью RC-цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основное назначение коррекции - пре-

дотвращать возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью от-

рицательной обратной связи.

Причина возникновения автоколебаний в том, что в самом ОУ и в цепях обратной связи имеются фазовые сдвиги сигнала, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в поло-

жительную. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления на частоте,

на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре составляет 360°. Иногда используют цепи коррекции, которые уменьшают фазовый сдвиг на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы. Такую коррекцию называют опережающей, так как она обеспе-

чивает опережение по фазе. Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятием - изготовителем и приводятся в справочных руководствах. В

то же время имеется большое количество ОУ с внутренней коррекцией.

78

Внутренняя коррекция упрощает использование ОУ, но не позволяет пол-

но реализовать его динамические свойства.

Классификация ОУ. В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делят-

ся на следующие группы по совокупности их параметров:

универсальные, или общего применения (К(0) = 103 – 105, fпр = 1,0 – 10 МГц, eсм > 0,5 мВ);

прецизионные, или инструментальные (К(0) > 0,5·106, eсм < 0,5

мВ);

быстродействующие (Vuвых > 20 В / мкс, fпр > 15 МГц);

микромощные (Iпотр < 1 мА).

Ниже в таблице приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Следует отметить, что прецизионные ОУ имеют весьма малые значения напряжения смещения нулевого уровня и его температурного коэффициента. Кроме того, они отличаются большим значением коэффициента усиления, что приближает их к идеальным ОУ. В

свою очередь быстродействующие усилители отличаются широкой поло-

сой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

Микромощные усилители отличаются высокой экономичностью. Они мо-

гут работать при напряжении питания от 1,5 В и потреблять ток 10 – 1000

мкА.

79

Операционные усилители продолжают совершенствоваться; появля-

ются новые типы, обладающие некоторыми особыми свойствами. Так, на-

пример, появились ОУ с внутренней гальванической развязкой входа и выхода. С этой целью в них введен оптрон, с помощью которого входные и выходные цепи ОУ оказываются разделенными.

Применение ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие ОУ. Схе-

ма инвертирующего усилителя приведена не рис. 4а. На инвертирующий вход ОУ в этой схеме подается сигнал, определяемый суммой входного и выходного напряжений и делителем на сопротивлениях R1 и R2. Так как неинвертирующий вход ОУ соединен с общим выводом, а Uдиф ≈ 0, то на-

пряжение на инвертирующем входе также будет равно нулю. В результате для схемы рис. 4а можно записать уравнение

Uвх Uвых ,

R1 R2

откуда находим коэффициент усиления усилителя:

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 4б. В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение обратной связи с выхода ОУ. Поскольку напряжение между входами равно нулю, то на инвертирующем входе также будет напряжение

Таким образом, в данном случае коэффициент усиления определяется формулой

80