Методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ Основы электроники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Сызранский политехнический техникум»

Методические указания для студентов

по выполнению лабораторных работ

ОП.04 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

«Профессиональный цикл»

основной профессиональной образовательной программы

по специальности 270843 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий

Сызрань, 2014

ОДОБРЕНО

УТВЕРЖДЕНО

предметной (цикловой) комиссией

Методическим советом

общепрофессиональных и электротехнических дисциплин

ГБОУ СПО «СПТ»

Протокол № ______

Протокол № ______

от «___» _____________2014 г.

от «___» _____________2014 г.

Заместитель директора по учебной

Председатель: _____ Л.Н. Жужукина

работе:____________Е.В.Вернер

Составитель: Аржанова Ю.В, преподаватель специальных дисциплин ГБОУ СПО «СПТ»

Методические указания по выполнению лабораторных работ являются частью основной профессиональной образовательной программы ГБОУ СПО «СПТ» по специальности 270843 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий в соответствии с требованиями ФГОС СПО третьего поколения.

Методические указания по выполнению лабораторных работ адресованы студентам очной формы обучения.

Методические указания включают в себя учебную цель, перечень образовательных результатов, заявленных во ФГОС СПО третьего поколения, задачи, обеспеченность занятия, краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме, вопросы для закрепления теоретического материала, задания для лабораторных работ студентов и инструкцию по ее выполнению, методику анализа полученных результатов, порядок и образец отчета о проделанной работе.

СОДЕРЖАНИЕ

Название лабораторных работ

стр.

1

Изучение работы выпрямительных диодов. Эффект p-n перехода в диодах

5

2

Снятие характеристик биполярного транзистора

17

3

Снятие выходных характеристик полевого транзистора

29

4

Изучение работы и выбор параметров усилителей на биполярных транзисторах

42

5

Изучение работы операционных усилителей

49

Введение

УВАЖАЕМЫЙ СТУДЕНТ!

Методические указания по дисциплине ОП.04 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ для выполнения лабораторных работ созданы Вам в помощь для работы на занятиях, подготовки к лабораторным работам, правильного составления отчетов.

В результате освоения дисциплины ОП.04 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Вы должны:

уметь:

• определять параметры полупроводниковых и типовых электронных каскадов по заданным условиям.

знать:

• принцип действия и устройства электронной, микропроцессорной техники и микроэлектроники, их характеристики и область применения.

Лабораторные работы направлены на овладение профессиональными компетенциями (ПК):

ПК 1.1. Организовывать и осуществлять эксплуатацию электроустановок промышленных и гражданских зданий.

ПК 1.2. Организовывать и производить работы по выявлению неисправностей электроустановок промышленных и гражданских зданий.

ПК 1.3. Организовывать и производить ремонт электроустановок промышленных и гражданских зданий.

ПК 2.1. Организовывать и производить монтаж силового электрооборудования промышленных и гражданских зданий с соблюдением технологической последовательности.

ПК 2.2. Организовывать и производить монтаж осветительного электрооборудования промышленных и гражданских зданий с соблюдением технологической последовательности.

ПК 2.3. Организовывать и производить наладку и испытания устройств электрооборудования промышленных и гражданских зданий.

ПК 2.4. Участвовать в проектировании силового и осветительного электрооборудования.

В процессе выполнения лабораторных работ у Вас должны быть сформированы общие компетенции (ОК):

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

Приступая к выполнению лабораторной работы, Вы должны внимательно прочитать цель и задачи занятия, ознакомиться с требованиями к уровню Вашей подготовки в соответствии с федеральными государственными стандартами третьего поколения (ФГОС-3), краткими теоретическими и учебно-методическими материалами по теме лабораторной работы, ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

Все задания к лабораторной работе Вы должны выполнять в соответствии с инструкцией, анализировать полученные в ходе занятия результаты по приведенной методике.

Отчет о лабораторной работе Вы должны выполнить по приведенному алгоритму, опираясь на образец.

Наличие положительной оценки по лабораторным работам необходимо для получения зачета по дисциплине, поэтому в случае отсутствия на уроке по любой причине или получения неудовлетворительной оценки за лабораторную работу Вы должны найти время для ее выполнения или пересдачи.

Внимание! Если в процессе подготовки к лабораторным работам или при решении задач у Вас возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю для получения разъяснений или указаний в дни проведения дополнительных занятий.

Время проведения дополнительных занятий можно узнать у преподавателя или посмотреть на двери его кабинета.

Желаем Вам успехов!!!

Тематический план

Наименование раздела и темы

Кол-во часов на лаб. работу

Раздел 1 Элементная база электронной техники

6

Тема 1.1 Физические основы электронных приборов

-

Тема 1.2 Полупроводниковые диоды

2

Тема 1.3 Транзисторы

4

Тема 1.4 Тиристоры

-

Тема 1.5 Интегральные микросхемы

-

Тема 1.6 Средства отображения информации

-

Тема 1.7 Газоразрядные устройства

-

Тема 1.8 Электронно-лучевые трубки

-

Тема 1.9 Фотоприёмники с внешним и внутренним фотоэффектом

-

Раздел 2 Аппаратные средства информационной электроники

4

Тема 2.1 Электронные усилители

-

Тема 2.2 Усилительные каскады

2

Тема 2.3 Усилители постоянного тока

2

ИТОГО

10

Раздел 1 Элементная база электронной техники

Тема 1.2 Полупроводниковые диоды

Лабораторная работа №1. Изучение работы выпрямительных диодов. Эффект p-n перехода в диодах

Цель: формирование умения строить характеристики и определять параметры диодов. Формирование умения применять диоды.

Задачи:

1. Научиться строить характеристики выпрямительного диода.

2. Научиться определять параметры диода.

3. Научиться применять диоды для однополупериодного выпрямления.

Время на выполнение: 2 часа

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Учебно-методическая литература:

• методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ.

2. Рабочая тетрадь обычная, в клетку.

3. Калькулятор простой.

4. Ручка.

5. Карандаш простой.

6. Чертежные принадлежности: линейка.

7. Лабораторный стенд «Физические основы электроники».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.

p-n-переход

Анод (А)

Катод (К)

p

n

А

К

Рис. 1 - Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n-переходе различают шесть основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика, приведенная на рис. 2.

I_a, А

U_a, В

U₀

I_обр

I_amax

U_{a max}

Рис. 2 - Вольт-амперная характеристика диода

При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц -100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода - односторонняя проводимость.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

VD

C

T

Рис.3 - Схема однополупериодного выпрямителя

На рис. 3 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:

1. Чем отличаются полупроводники типа p и n?

2. Каковы свойства p-n перехода?

3. Объясните вид вольт-амперной характеристики диода.

4. Как работает неуправляемый выпрямитель?

Задания для лабораторной работы:

1. Постройте вольт-амперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе для прямой и обратной ветви. Определите основные параметры диода.

2. Постройте вольт-амперную характеристику выпрямительного диода на переменном токе. Определите масштабы по току и напряжению. Определите основные параметры диода.

3. Постройте осциллограммы напряжения на диоде однополупериодного выпрямителя u_а и анодного тока i_а,.

4. Постройте временные диаграммы сигналов однополупериодного выпрямителя друг под другом.

5. Постройте осциллограмму напряжения на нагрузке однополупериодного выпрямителя u_н.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1. Прочитайте краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.

2. Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе.

3. Ознакомьтесь с условием заданий для лабораторной работы.

4. Подготовьте форму отчета по лабораторной работе.

5. Соберите на лабораторном стенде схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе, приведенную на рис. 4.

Рис. 4 - Схема для исследования выпрямительного диода на постоянном токе

6. Для измерения анодного тока включите многопредельный миллиамперметр на пределе «×1000» (максимальный ток 100 мА). Для измерения анодного напряжения включите мультиметр на пределе «2В», при больших напряжениях перейдите на предел «20В».

7. Снимете по точкам вольт-амперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе. Для этого потенциометром RР1 изменяйте напряжение на входе, фиксируя анодный ток I_а и анодное напряжение U_а, на диоде VD1. Вольт-амперную характеристику снимите сначала для прямой, а затем обратной ветви, установив переключатель ЅА1 на «-». При смене ветви не забудьте изменить полярности миллиамперметра и вольтметра и их пределы измерения!

8. После выполнения эксперимента переведите переключатель ЅА1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установите в положение «0».

9. Соберите схему для исследования выпрямительного диода на переменном токе, приведенную на рис. 5, с целью получения вольт-амперной характеристики диода на экране осциллографа.

Рис. 5 - Схема для исследования выпрямительного диода на переменном токе

10. Вход СН2(Y) осциллографа подключите к шунту R_ш (гнездо Х13), а корпус осциллографа «» соедините с гнездом Х12. Вход СН1(Х) осциллографа подключите к гнезду Х3. При этом переключатель развертки осциллографа переведите в положение Х/Y. Подайте питание - переключатель ЅА1 установите в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместите в начало координат. Вращайте ручку потенциометра RP1 до положения «5».

11. Зарисуйте вольт-амперную характеристику диода. Определите масштабы по току и напряжению.

12. После выполнения эксперимента переведите переключатель ЅА1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установите в положение «0».

13. Соберите схему однополупериодного выпрямителя на диоде (рис.5) - это не потребует никаких переключений на модуле. Переключатель развертки осциллографа переведите на временную развертку. Установите синхронизацию от сети. На экране осциллографа Вы увидите осциллограммы анодного тока i_а, и напряжения на диоде u_а.

14. Исследуйте выпрямитель, для этого установите на входе напряжение с амплитудой U_m. Измерение напряжения производите при помощи осциллографа, подключив вход СН2 осциллографа к гнезду Х10, а корпус осциллографа «» - к гнезду Х12. Канал СН1 осциллографа отключите от модуля.

15. Снимите осциллограммы напряжения на диоде u_а (вход СН1 осциллографа подключить к гнезду Х3) и анодного тока i_а, (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х13, а корпус осциллографа «» уже соединен с гнездом Х12). Переключите осциллограф в двухканальный режим развертки во времени.

16. Зарисуйте с экрана осциллографа временные диаграммы сигналов друг под другом.

17. Снимите осциллограмму напряжения на нагрузке u_н. Для этого корпус осциллографа подключите к гнезду Х3, а вход канала СН к гнезду Х1 (не забудьте определить масштабы по току и напряжению).

18. После выполнения эксперимента переведмите переключатель SА1 в положение «Выкл.». Ручку потенциометра RР1 установите в положение «0».

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Запись номера, наименования и цели работы.

2. Чертеж схемы для исследования выпрямительного диода на постоянном токе.

3. Чертеж схемы для исследования выпрямительного диода на переменном токе.

4. Запись результатов экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов в соответствующие таблицы.

5. Чертеж вольт-амперных характеристик.

6. Чертежи осциллограмм.

7. Запись кратких выводов по работе.

Образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа №1.

Изучение работы выпрямительных диодов. Эффект p-n перехода в диодах.

Цель: формирование умения строить характеристики и определять параметры диодов. Формирование умения применять диоды.

Схема для исследования выпрямительного диода на постоянном токе.

Схема для исследования выпрямительного диода на переменном токе.

Результаты экспериментального исследования выпрямительного диода на постоянном токе (прямое включение).

U_вх, В

0

1

2

3

4

5

7

10

15

I_a, A

U_a, В

Результаты экспериментального исследования выпрямительного диода на постоянном токе (обратное включение).

U_вх, В

0

1

2

3

4

5

7

10

15

I_a, A

U_a, В

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода на постоянном токе.

I_a, А

0

U_a, В

Основные параметры диода:

1. пороговое напряжение U₀ = _______ В,

2. обратный ток I_обр =_______ А,

3. прямое падение напряжения U_{а max} =_______В,

4. максимальный анодный ток I_{а max} =_______А.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода на переменном токе.

I_a, А

0

U_a, В

Основные параметры диода:

1. пороговое напряжение U₀ =_______В,

2. обратный ток I_обр =_______А,

3. прямое падение напряжения U_{а max}=_______В,

4. максимальный анодный ток I_{а max}=_______А.

Осциллограмма напряжения на диоде u_а однополупериодного выпрямителя.

u_a, В

0

t, c

Осциллограмма анодного тока i_а однополупериодного выпрямителя.

i_a, A

0

t, c

Временные диаграммы сигналов однополупериодного выпрямителя.

u_вх, В

0

t, c

u_вых, В

0

t, c

Осциллограмма напряжения на нагрузке u_н однополупериодного выпрямителя.

u_н, В

0

t, c

Краткие выводы: _____________________________________________.

Тема 1.3 Транзисторы

Лабораторная работа №2. Снятие характеристик биполярного транзистора

Цель: формирование умения строить характеристики и определять параметры биполярного транзистора. Формирование умения применять биполярный транзистор.

Задачи:

1. Научиться строить характеристики биполярного транзистора.

2. Научиться определять параметры биполярного транзистора.

3. Научиться применять биполярные транзисторы.

Время на выполнение: 2 часа

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Учебно-методическая литература:

• методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ.

2. Рабочая тетрадь обычная, в клетку.

3. Калькулятор простой.

4. Ручка.

5. Карандаш простой.

6. Чертежные принадлежности: линейка.

7. Лабораторный стенд «Физические основы электроники».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, имеющий три или более выводов и позволяющий осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов, а также коммутацию электрических цепей в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Основные свойства транзистора - изменять внутреннее сопротивление при воздействии управляющего сигнала.

Движение носителей зарядов в транзисторах может происходить путем диффузии или под действием электрического поля. В связи с этим различают биполярные транзисторы, в которых ток обусловлен движением основных и неосновных носителей электрических зарядов, и полевые (униполярные), в которых ток создается только основными носителями.

Транзисторы изготавливают из германия, кремния, бинарных соединений (арсенид галлия GaAs, карбид кремния SiC, фосфид галлия GaP), тройных соединений.

По конструктивному исполнению транзисторы можно разделить на точечные и плоскостные. Точечные транзисторы применяют редко из-за низкой стабильности параметров ЭДП.

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости, пригодный для усиления мощности.

У биполярных транзисторов возможны две трехслойные структуры (рис. 6).

б г

Рис. 6 - Структуры (а, в) и условные графические обозначения (б, г)

биполярных транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов соответственно

Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов и дырок), который главным образом создает ток прибора, называется эмиттером (Э). Слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К). Средний слой называется базой (Б).

Основой биполярного транзистора является пластинка кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние, как отмечено выше, обладают проводимостью одного типа, средняя - противоположной проводимостью.

Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа приведена на рис. 7.

Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе несущественно. Отличие же в концентрации основных носителей заряда в эмиттере и базе весьма важно, так как оно влияет на характеристики и параметры транзистора. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше, чем в эмиттере и, соответственно, базовый слой должен быть более высокоомным, чем эмиттерный. Кроме того, расстояние между эмиттером и коллектором должно быть очень малым (не более единиц микрометров), то есть область базы должна быть очень тонкой.

Рис. 7 - Структурная схема маломощного биполярного транзистора

n-p-n-типа

При отсутствии внешних напряжений на границах разделов трех слоев образуются объемные заряды, создаются внутренние электрические поля, между слоями возникает разность потенциалов.

Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, в его переходах создаются потенциальные барьеры. Через структуру транзистора протекает два небольших тока:

• ток диффузии, обусловленный диффузией через переходы основных носителей (дырок из p-области и электронов из n-области);

• встречный дрейфовый ток, созданный неосновными носителями зарядов.

Внешнее напряжение подключается к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода - в обратном. Это обеспечивается при помощи двух источников напряжения.

Так как в эмиттерном переходе напряжение источника действует в прямом направлении, то ток диффузии увеличивается.

Дырки из эмиттера в большом количестве будут инжектироваться (впрыскиваться) в базу, аналогичным образом увеличивается обратный диффузионный поток электронов из базы в эмиттер.

Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу, поле в котором является ускоряющим для них. Дырки, входя в коллекторный переход, захватываются его полем и попадают (экстрагируют) в коллектор, создавая в цепи его коллекторный ток, зависящий от тока эмиттера. Если толщина базы достаточна мала, то большинство дырок достигнет коллектора, не успев рекомбинировать с электронами.

В базу, вместо перешедших в эмиттер и исчезнувших при рекомбинации электронов от источника напряжения эмиттер-база, входят новые электроны.

Ток базы - явление вредное, желательно, чтобы он был как можно меньше. Для его снижения принимают следующие меры: базу делают очень тонкой и уменьшают в сотни раз концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов.

Одна из основных областей применения биполярного транзистора - усиление электрических сигналов.

Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 8.

Рис. 8 - Схема включения транзистора с общей базой

как усилителя сигналов

Схема включения транзистора с общим эмиттером как усилителя сигналов приведена на рис. 9.

Рис. 9 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистора с общим коллектором как усилителя сигналов приведена на рис. 10.

Рис. 10 - Схема включения транзистора с общим коллектором

Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора. Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_P и значением сопротивлений входной R_вх и выходной R_вых цепей.

Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:

;

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора (рис. 11).

Рис. 11 - Семейство выходных характеристик транзистора

Область I - активная область или активный режим (режим малого сигнала). Область II - область (режим) отсечки. Область III - область насыщения или режим насыщения.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:

1. Каков принцип действия биполярного транзистора?

2. Какие существуют схемы включения биполярных транзисторов?

3. Каково назначение элементов усилителя?

4. Как определить коэффициент усиления?

5. Что такое ключевой режим работы?

Задания для лабораторной работы:

1. Постройте статическую характеристику биполярного транзистора прямой передачи по току без нагрузки.

2. Постройте статическую характеристику биполярного транзистора прямой передачи по току при наличии нагрузки. Определите области активного усиления, отсечки и насыщения.

3. Постройте выходные статические вольт-амперные характеристики с помощью осциллографа. Определите масштабы по току и напряжению.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1. Прочитайте краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.

2. Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе.

3. Ознакомьтесь с условием заданий для лабораторной работы.

4. Подготовьте форму отчета по лабораторной работе.

5. Соберите на лабораторном стенде схему для снятия характеристик биполярного транзистора, приведенную на рис. 12.

Рис. 12 - Схема для снятия характеристик биполярного транзистора

Между гнездами X2 и X6 включите миллиамперметр на пределе измерения 100 мкА и соедините перемычкой гнезда X9 и X11. Между гнездами X1 и X4 включите второй миллиамперметр на пределе измерения 10 мА. Соедините перемычкой гнезда X3 и X7. Между гнездами Х2, Х5 и X4, X16 включите мультиметры в режиме измерения постоянного напряжения. Подключите источник «=U2», установив тумблер SA2 в нижнее положение.

6. Снимите статическую характеристику прямой передачи по току I_к=f(I_б) при значении U_к, равном заданному значению Е_к и R_к=0. Для этого дополнительно поставьте перемычку между гнездами X1 и X3. Включите «Модуль питания», включите тумблер «Питание» на модуле «Транзисторы». Экспериментальные результаты запишите в таблицу. При снятии характеристики следите за постоянством напряжения U_к.

7. Снимите характеристику прямой передачи по току при наличии нагрузки R₂. Схема для снятия характеристики представлена на рисунке 13. Уберите перемычку между гнездами X1, X3. С помощью переключателя SA1 установите заданное значение резистора R2. С помощью потенциометра RP1 установите ток базы, равный нулю, а с помощью потенциометра RP2 установите заданное значение Е_к. В дальнейшем ручку регулировки RP2 не трогать. Экспериментальные результаты запишите в таблицу. Выключите тумблер «Питание». Постройте экспериментальные характеристики.

Рис. 13 - Схема для снятия нагрузочной характеристики прямой передачи по току

8. По построенной характеристике определите области активного усиления, отсечки и насыщения.

9. Снимите выходные статические вольт-амперные характеристики с помощью осциллографа, используя схему на рисунке 14.

Рис. 14 - Схема для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик при помощи осциллографа

10. Переключите тумблер SA2 в верхнее положение тем самым подключите к схеме источник полуволн напряжения. Соедините перемычкой гнезда X1 - X3. Подключите входы осциллографа к соответствующим точкам схемы: вход канала CH1 (X) - к гнезду X3, канала CH2 (Y) - к гнезду Х14, корпус осциллографа () - к гнезду Х15. Переведите переключатель развертки осциллографа в положение X/Y. Установите луч на экране осциллографа в левом нижнем углу. Установите потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включите питание модуля. Изменяйте ток базы от нуля до максимального значения, пронаблюдайте семейство выходных характеристик. Зарисуйте на одном рисунке выходные характеристики для трех значений тока базы: I_б1=0; I_б2=0,5I_{б max}; I_б3=I_{б max}. Запишите масштабы по напряжению и току. Выключите питание модуля.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Запись номера, наименования и цели работы.

2. Чертеж схемы для снятия характеристик биполярного транзистора.

3. Чертеж схемы для снятия нагрузочной характеристики прямой передачи по току.

4. Чертеж схемы для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик при помощи осциллографа.

5. Запись результатов экспериментальных исследований в соответствующие таблицы.

6. Чертеж статической характеристики биполярного транзистора прямой передачи по току без нагрузки.

7. Чертеж статической характеристики биполярного транзистора прямой передачи по току при наличии нагрузки.

8. Чертеж выходных статических вольт-амперных характеристик.

9. Запись кратких выводов по работе.

Образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа №2.

Снятие характеристик биполярного транзистора.

Цель: формирование умения строить характеристики и определять параметры биполярного транзистора. Формирование умения применять биполярный транзистор.

Схема для снятия характеристик биполярного транзистора.

Схема для снятия нагрузочной характеристики прямой передачи по току.

Схема для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик при помощи осциллографа.

Результаты экспериментального исследования биполярного транзистора для построения статической характеристики биполярного транзистора прямой передачи по току без нагрузки.

U_к = ___________ В

I_б, A

I_к, A

Результаты экспериментального исследования биполярного транзистора для построения статической характеристики биполярного транзистора прямой передачи по току при наличии нагрузки.

U_к = ___________ В

I_б, A

I_к, A

Статическая характеристика биполярного транзистора прямой передачи по току без нагрузки.

I_к, А

0

U_к, В

Статическая характеристика биполярного транзистора прямой передачи по току при наличии нагрузки.

I_к, А

0

U_к, В

Выходные характеристики биполярного транзистора для трех значений тока базы: I_б1=0; I_б2=0,5I_{б max}; I_б3=I_{б max}.

I_к, А

0

U_к, В

Краткие выводы: _____________________________________________.

Лабораторная работа №3. Снятие выходных характеристик полевого транзистора

Цель: формирование умения строить выходные характеристики полевого транзистора. Формирование умения применять полевой транзистор.

Задачи:

1. Научиться строить характеристики полевого транзистора.

2. Научиться применять полевые транзисторы.

Время на выполнение: 2 часа

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Учебно-методическая литература:

• методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ.

2. Рабочая тетрадь обычная, в клетку.

3. Калькулятор простой.

4. Ручка.

5. Карандаш простой.

6. Чертежные принадлежности: линейка.

7. Лабораторный стенд «Физические основы электроники».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называется центральная область транзистора. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называется истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала - стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором.

Так как в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными, что подчеркивало движение носителей заряда одного знака.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и, в зависимости от электропроводности исходного материала, подразделяют на транзисторы с p- каналом и транзисторы с n-каналом.

Главное достоинство полевых транзисторов - высокое входное сопротивление.

Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке 15.

Рис. 15 - Классификация и условные графические обозначения

полевых транзисторов

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом - это транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

В транзисторе с n-каналом (рис. 16) основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с.

В транзисторе с p-каналом основными носителями зарядов являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала.

Работа полевого транзистора с n-каналом, а соответственно и изменение поперечного сечения канала происходит при подаче определенных напряжений на электроды транзистора.

а

б

Рис. 16 - Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого

транзистора с управляющим p-n-переходом (с n-каналом)

При подаче запирающего (обратного) напряжения U_зи на p-n-переход, между затвором и каналом на границах канала возникает равномерный слой (рис. 17), обедненный носителями зарядов и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Рис. 17 - Формирование равномерного обедненного слоя в транзисторе с управляющим p-n-переходом при подаче запирающего напряжения

Напряжение, приложенное между стоком и истоком, приводит к появлению неравномерного обедненного слоя (рис. 18), так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Рис. 18 - Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе с управляющим p-n-переходом при подаче напряжения

Если одновременно подать напряжения U_си > 0 и U_зи  0 (рис. 19), то толщина обедненного слоя, а следовательно и минимальное сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. Когда суммарное напряжение достигнет значения напряжения запирания: U_зап = U_си + |U_зи |, обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

Рис. 19 - Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе с управляющим p-n-переходом

при подаче напряжений

Включение полевых транзисторов (как и биполярных) может быть произведено по трем схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Чаще применяется схема с общим истоком (рис. 20).

Рис. 20 - Схема включения полевого транзистора с общим истоком

Схема включения транзистора с управляющим p-n-переходом имеет следующие характеристики (рис. 21):

- выходную (стоковую) I_c = f(U_си) при U_зи = const;

- передаточную (стоко-затворную) I_c = f(U_зи).

На выходного (стоковой) характеристике можно выделить три области:

- область I - область сильной зависимости тока стока I_c от напряжения U_си;

- область II - область слабой зависимости тока стока I_c от напряжения U_си;

- область III- область пробоя p-n-перехода.

а б

Рис. 21 - Вольт-амперные характеристики транзисторов с управляющим

p-n-переходом: а - выходная (стоковая); б - передаточная (стоко-затворная)

Основными параметрами полевого транзистора с управляющим p-n-переходом являются:

• максимальное значение тока стока;

• максимальное значение напряжения сток-исток;

• напряжение отсечки (запирания);

• внутреннее сопротивление;

• крутизна стоко-затворной характеристики;

• входное сопротивление;

• выходное сопротивление;

• коэффициент усиления.

Достоинствами полевых транзисторов являются:

• высокое входное сопротивление, что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления;

• обусловленность рабочего тока только основными носителями заряда и, как следствие, высокое быстродействие;

• почти полное разделение выходного сигнала от входного;

• малый уровень шумов;

• возможность работы на высокой частоте (до 100 кГц).

К недостаткам полевых транзисторов можно отнести:

• низкие значения коммутируемого тока и напряжения (до 500-600 В);

• высокие значения прямых потерь вследствие большого сопротивления во включенном состоянии (0,2-0,5 Ом).

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:

1. Какие транзисторы называются полевыми или униполярными?

2. Объясните происхождение таких названий.

3. Как устроен полевой транзистор?

4. Чем отличается принцип действия полевых транзисторов с p-n-переходом?

5. Как выглядят выходные характеристики полевых транзисторов?

6. Какие характерные области выделяют на выходных характеристиках полевого транзистора?

7. Каковы особенности применения полевых транзисторов?

Задания для лабораторной работы:

1. Постройте стоко-затворную характеристику полевого транзистора без нагрузки.

2. Постройте стоко-затворную характеристику полевого транзистора при наличии нагрузки. Определите области активного усиления, отсечки и насыщения.

3. Постройте выходные статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора с помощью осциллографа. Определите масштабы по току и напряжению.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1. Прочитайте краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.

2. Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе.

3. Ознакомьтесь с условием заданий для лабораторной работы.

4. Подготовьте форму отчета по лабораторной работе.

5. Соберите схему для снятия характеристик полевого транзистора (рис. 22). Соедините перемычками гнезда X2 и X6, X9 и X11. Между гнездами X1 и X4 включите миллиамперметр на пределе 100 мкА (или мультиметр в режиме измерения постоянного тока). Соедините перемычкой гнезда X3 и X7. Включите вольтметр с пределом 20 В (мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения) между гнездами X4 и X16. Тумблер SA2 установите в нижнее положение, подключив тем самым источник питания постоянного напряжения «=U2».

Рис. 22 - Схема для снятия характеристик полевого транзистора

6. Снимите стоко-затворную характеристику транзистора I_С=f(U_ЗИ) при заданном постоянном значении U_СИ=const и R_С=0. Для этого дополнительно поставьте перемычку между гнездами X1 и X3. Включите «Модуль питания», тумблер «Питание» модуля «Транзисторы». С помощью потенциометра RP2 установите заданное значение U_СИ. Снимите характеристику I_С=f(U_ЗИ), изменяя от нуля величину напряжения U_ЗИ. Экспериментальные результаты запишите в соответствующую таблицу. При снятии характеристик следите за постоянством напряжения U_СИ. Постройте полученную экспериментальную характеристику.

7. Снимите стоко-затворную характеристику транзистора I_С=f(U_ЗИ) при заданном постоянном значении U_СИ=const при наличии нагрузки R_С. Для этого собирите схему, приведенную на рисунке 23.

Рис. 23 - Схема для снятия характеристик полевого транзистора

при наличии нагрузки

8. Уберите перемычку между гнездами X1 и X3. С помощью переключателя SA1 установите заданное значение резистора R2. С помощью потенциометра RP2 установите заданное значение U_СИ. В дальнейшем ручку регулировки RP2 не трогайте. Снимите характеристику I_С=f(U_ЗИ), изменяя от нуля величину напряжения U_ЗИ. Экспериментальные результаты запишите в соответствующую таблицу. Выключите тумблер «Питание». Построите полученную экспериментальную характеристику. По построенной характеристике определите области активного усиления, отсечки и насыщения.

9. Снимите выходные статические вольт-амперные характеристики с помощью осциллографа. Для этого соберите схему представленную на рисунке 24.

Рис. 24 - Схема для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик

при помощи осциллографа

10. Переключите тумблер SA2 в верхнее положение, тем самым подключите к схеме источник полуволн напряжения. Соедините перемычкой гнезда Х1 и Х3. Подключите входы осциллографа к соответствующим точкам схемы: вход канала CH1 (X) - к гнезду X3, канала CH2 (Y) - к гнезду Х14, корпус осциллографа () - к гнезду Х15. Переведите переключатель развертки осциллографа в положение X/Y. Установите луч на экране осциллографа в левом нижнем углу. Установите потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включите питание модуля. Изменяйте напряжение на затворе от нуля до максимального значения, пронаблюдайте семейство выходных характеристик. Зарисуйте на одном рисунке выходные характеристики для трех значений напряжения на затворе: U_з(1)=2В; U_з(2)=0,5(U_з(1)+U_{з max}); U_з(3)=U_{з max}. Запишите масштабы по напряжению и току. Выключите питание модуля.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Запись номера, наименования и цели работы.

2. Чертеж схемы для снятия характеристик полевого транзистора.

3. Чертеж схемы для снятия характеристик полевого транзистора при наличии нагрузки.

4. Чертеж схемы для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик при помощи осциллографа.

5. Запись результатов экспериментальных исследований в соответствующие таблицы.

6. Чертеж стоко-затворной характеристики транзистора без нагрузки.

7. Чертеж стоко-затворной характеристики транзистора при наличии нагрузки.

8. Чертеж выходных статических вольт-амперных характеристик.

9. Запись кратких выводов по работе.

Образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа №3.

Снятие выходных характеристик полевого транзистора.

Цель: формирование умения строить выходные характеристики полевого транзистора. Формирование умения применять полевой транзистор.

Схема для снятия характеристик полевого транзистора.

Схема для снятия характеристик полевого транзистора при наличии нагрузки.

Схема для снятия выходных статических вольт-амперных характеристик при помощи осциллографа.

Результаты экспериментального исследования полевого транзистора для построения стоко-затворной характеристики транзистора без нагрузки.

U_си = ___________ В

I_с, A

U_зи, A

Результаты экспериментального исследования полевого транзистора для построения стоко-затворной характеристики транзистора при наличии нагрузки.

U_си = ___________ В

I_с, A

U_зи, A

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора без нагрузки.

I_с, А

0

U_зи, В

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора при наличии нагрузки.

I_с, А

0

U_зи, В

Выходные статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора для трех значений напряжения на затворе: U_з(1)=2В; U_з(2)=0,5(U_з(1)+U_{з max}); U_з(3)=U_{з max}.

I_с, А

0

U_си, В

Краткие выводы: _____________________________________________.

Лабораторная работа №4. Изучение работы и выбор параметров усилителей на биполярных транзисторах

Цель: формирование умения применять биполярный транзистор. Формирование умения определять параметры усилителей на биполярных транзисторах.

Задачи:

1. Научиться применять биполярный транзистор.

2. Научиться определять параметры усилителей на биполярных транзисторах.

Время на выполнение: 2 часа

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Учебно-методическая литература:

• методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ.

2. Рабочая тетрадь обычная, в клетку.

3. Калькулятор простой.

4. Ручка.

5. Карандаш простой.

6. Чертежные принадлежности: линейка.

7. Лабораторный стенд «Физические основы электроники».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Усилитель - это одно из основных устройств аналоговой схемотехники. По определению усилитель - это устройство, преобразующее входной электрический сигнал низкой мощности в сигнал более высокой мощности на выходе. Увеличение мощности сигнала достигается за счёт энергии источника питания, являющегося обязательным элементом усилителя.

Основными параметрами усилителя являются:

1. Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления по напряжению называют отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе. Аналогично вводятся коэффициенты усиления по току и по мощности.

2. Амплитудо-частотная и фазо-частотная характеристики. Это зависимость коэффициента усиления и изменения фазы от частоты.

3. Входное сопротивление усилителя - сопротивление между его входными зажимами при воздействии усиливаемого сигнала.

4. Выходное сопротивление.

Все параметры определяют работу усилителя как элемента более сложной схемы. Коэффициенты усиления определяют способность усилителя повысить амплитуду сигнала до определённого уровня, частотные характеристики определяют диапазон рабочих частот, сопротивления служат для согласования с другими каскадами цепи.

С точки зрения физики усиление сигнала происходит за счёт свойств активных элементов, также являющихся неотъемлемым элементом. Усилительные устройства представляют собой сложную схему, состоящую из нескольких каскадов усиления. Каскадом усиления называется элементарная схема, обеспечивающая усиление. При удалении активного элемента из каскада он перестаёт усиливать сигнал.

В схемах на основе биполярных транзисторов существует три основных каскада:

• с общим эмиттером,

• с общей базой,

• общим коллектором.

Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером приведена на рисунке 25.

Рис. 25 - Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

В основе принципа действия каскада лежит преобразование энергии источника питания в энергию переменного выходного сигнала за счет изменения выходного тока усилительного элемента по закону, задаваемому источником входного сигнала. Функцию усилительного элемента в каскаде выполняет транзистор VT, работающий в активном режиме. Резистор R_к задает динамический режим работы усилительного элемента. При отсутствии R_к невозможно изменение напряжения на выходе каскада, даже при создании всех необходимых условий. Резисторы R_б1 и R_б2 образуют резистивный делитель, задающий режим покоя (режим по постоянному току) каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя коллектора I_0к создается заданием тока покоя базы I_0б соответствующей величины. Конденсаторы С_р1 и С_р2 исключают протекание постоянного тока от цепей транзистора в нагрузку и в источник входного сигнала. Элементы Rэ и Сэ составляют цепь термостабилизации положения рабочей точки усилительного элемента и служат для создания последовательной отрицательной обратной связи по постоянному току и устранения такой связи по переменному току. E_к - источник питания каскада и источник питания цепи смещения. R_н - нагрузка каскада.

Важнейшими характеристиками усилителей являются:

• коэффициент усиления;

• входное и выходное сопротивления;

• выходная мощность;

• амплитудная и амплитудно-частотная характеристики;

• полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя);

• степень искажения усиленного сигнала.

Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора. Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току k_I, напряжению k_U, мощности k_P и значением сопротивлений входной R_вх и выходной R_вых цепей.

Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:

;

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:

1. Что представляет собой схема простейшего усилителя?

2. Назовите основные параметры усилителей.

3. В каких режимах может работать транзистор в схеме усиления?

4. Как обеспечивается активный режим работы транзистора в схеме типового усилителя?

5. Почему появляется отрицательная обратная связь в схеме типового усилителя и как она изменяет коэффициент усиления?

6. Какова роль конденсатора C_Э в схеме усилителя?

Задания для лабораторной работы:

1. Постройте осциллограмму выходного сигнала с искажениями с учетом масштабов по напряжению и времени.

2. Постройте осциллограмму максимального сигнала без искажения с учетом масштабов по напряжению и времени.

3. Определите максимальную амплитуду неискаженного выходного синусоидального напряжения U_{вых m}.

4. Определите коэффициент усиления каскада по напряжению.

5. Постройте кривые выходного напряжения при изменении постоянной составляющей тока базы I_б=0,5I_бр и I_б=1,5I_бр на одном графике.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1. Прочитайте краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.

2. Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе.

3. Ознакомьтесь с условием заданий для лабораторной работы.

4. Подготовьте форму отчета по лабораторной работе.

5. Собрите схему для исследования усилительного каскада (рис. 26).

Рис. 26 - Схема для исследования усилительного каскада

Разомкните гнезда X1 и X3, установите заданное значение сопротивления резистора R2. К гнезду X13 подключите выходное напряжение функционального генератора, соединив землю генератора с гнездом X16. Соедините перемычкой гнезда X9 и X10. Подключите канал СН1 осциллографа к входу усилителя (гнезда X9, X15), а канал СН2 к выходу усилителя (гнездо X3). Включите временную развертку осциллографа. Включите функциональный генератор и установите синусоидальный сигнал частотой 50…100 Гц, уменьшите сигнал до нуля регулятором амплитуды. Включите питание стенда. При токе I_б=0 установите с помощью потенциометра RP2 заданное значение Е_к и далее не изменяйте его при всех экспериментах (не трогайте ручку потенциометра RP2!).

6. Определите экспериментально максимальную амплитуду неискаженного выходного синусоидального напряжения U_{вых m}. Для этого плавно увеличивайте амплитуду входного сигнала и постоянную составляющую тока базы I_б до появления видимого уплощения вершин синусоиды выходного напряжения. Обратите внимание, одновременно ли начинают уплощаться положительная и отрицательная полуволны. При необходимости подрегулируйте с помощью потенциометра RP1 положение рабочей точки покоя. Зарисуйте осциллограммы выходного сигнала с искажениями и максимального сигнала без искажения с учетом масштабов по напряжению и времени.

7. Измерьте с помощью осциллографа амплитуды неискаженного выходного U_выхи входного U_вхсигналов. Определите коэффициент усиления каскада по напряжению.

8. Исследуйте экспериментально влияние положения рабочей точки покоя на форму выходного напряжения. Зарисуйте кривые выходного напряжения при изменении постоянной составляющей тока базы I_б=0,5I_бр и I_б=1,5I_бр, при этом переменный входной сигнал изменять не следует.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Запись номера, наименования и цели работы.

2. Чертеж схемы для исследования усилительного каскада.

3. Чертеж осциллограммы выходного сигнала с искажениями с учетом масштабов по напряжению и времени.

4. Чертеж осциллограммы максимального сигнала без искажения с учетом масштабов по напряжению и времени.

5. Определение максимальной амплитуды неискаженного выходного синусоидального напряжения U_{вых m}.

6. Определение коэффициента усиления каскада по напряжению.

7. Чертеж кривых выходного напряжения при изменении постоянной составляющей тока базы I_б=0,5I_бр и I_б=1,5I_бр.

8. Запись кратких выводов по работе.

Образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа №4.

Изучение работы и выбор параметров усилителей на биполярных транзисторах.

Цель: формирование умения применять биполярный транзистор. Формирование умения определять параметры усилителей на биполярных транзисторах.

Схема для исследования усилительного каскада.

Осциллограмма выходного сигнала с искажениями с учетом масштабов по напряжению и времени.

U_вых, В

0

t, c

Осциллограмма максимального сигнала без искажения с учетом масштабов по напряжению и времени.

U_max, В

t, c

0

Определение максимальной амплитуды неискаженного выходного синусоидального напряжения.

U_{вых m} = ______________ В

Определение коэффициента усиления каскада по напряжению.

Кривые выходного напряжения при изменении постоянной составляющей тока базы I_б=0,5I_бр и I_б=1,5I_бр.

U_вых, В

0

t, c

Краткие выводы: _____________________________________________.

Лабораторная работа №5. Изучение работы операционных усилителей

Цель: формирование умения применять операционные усилители. Формирование умения определять параметры операционных усилителей. Формирование умения строить характеристики операционных усилителей.

Задачи:

1. Научиться применять операционные усилители.

2. Научиться определять параметры операционных усилителей.

3. Научиться строить характеристики операционных усилителей.

Время на выполнение: 2 часа

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Учебно-методическая литература:

• методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ.

2. Рабочая тетрадь обычная, в клетку.

3. Калькулятор простой.

4. Ручка.

5. Карандаш простой.

6. Чертежные принадлежности: линейка.

7. Лабораторный стенд «Физические основы электроники».

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Операционный усилитель (ОУ) относится к усилителям постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход и один общий выход. Условные обозначение операционного усилителя показано на рисунке 27.

Рис. 27 - Условные обозначение операционного усилителя

Один из входов усилителя U(+) называется неинвертирующим, а второй U(-) - инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход выходной сигнал совпадает по фазе с входным сигналом. Если подать сигнал на инвертирующий вход, то выходной сигнал будет повернут на 180° относительно входного сигнала. Операционный усилитель характеризуется большим коэффициентом усиления: K_U 10⁴ 10⁶. Основу операционного усилителя составляет дифференциальный усилительный каскад (ДУ), применяемый в качестве входного каскада усилителя. Усилитель напряжения (УН), обеспечивает основное усиление по напряжению. Выходным каскадом операционного усилителя обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), имеющий низкое выходное сопротивление и обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы.

Передаточную характеристику операционного усилителя U_вых = f(U_вх) представляют в виде двух кривых, относящихся к инвертирующему и неинвертирующему входам (рис. 28).

Рис. 28 - Передаточная характеристика операционного усилителя

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется максимальными выходными напряжениями U⁺_вых.max, U^_вых.max.

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, обладает бесконечно большим и частотно независимым коэффициентом усиления, коэффициент передачи синфазного сигнала близок к нулю и выполняется условие баланса при U_вх = 0 и U_вых =0.

Обычно операционный усилитель используется для усиления сигналов только в сочетании с отрицательной обратной связью. Инвертирующий усилитель представляет собой операционный усилитель, охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 29), которая осуществляется резистором обратной связи R_ОС.

Рис. 29 - Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе

Коэффициент усиления усилителя с обратной связи задается делителем напряжения R_ОС и R1 и может быть рассчитан по формуле:

Коэффициент усиления идеального инвертирующего операционного усилителя не зависит от величины коэффициента усиления самого операционного усилителя, а определяется только величинами резисторов в цепи обратной связи.

Неинвертирующий усилитель представляет собой операционный усилитель, охваченный цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению (рис. 30). Отрицательная обратная связь включена между выходом и инвертирующим входом.

Рис. 30 - Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется по формуле:

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы, тогда как для коэффициента усиления инвертирующего усилителя такого ограничения не существует.

Инвертирующий сумматор предназначен для суммирования величин входных напряжений. Схема выполняется на базе инвертирующего усилителя с числом входных параллельных ветвей, равных количеству сигналов, предназначенных для сложения.

Интегратор - схема, выполняющая математическую операцию интегрирования. Интегратор выполняется на базе схемы инвертирующего операционного усилителя, в которой резистор R_ОС заменен на конденсатор.

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы. По принципу действия избирательные усилители делятся на: резонансные и усилители с обратной связью.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе:

1. Что такое передаточная характеристика?

2. Что такое инвертирующий вход операционного усилителя?

3. Что такое неинвертирующий вход операционного усилителя?

4. Какая обратная связь используется в инвертирующем усилителе?

5. Какая обратная связь используется в неинвертирующем усилителе?

6. Как рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя?

7. Как рассчитать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя?

Задания для лабораторной работы:

1. Постройте передаточную характеристику U_вых = f(U_вх) на постоянном токе при двух полярностях входного сигнала.

2. Определите максимальные выходные напряжения ±U_{вых max} и соответствующие им входные напряжения ±U_{вх max}.

3. По передаточной характеристике определите коэффициент усиления по напряжению.

4. Постройте амплитудно-частотную характеристику К_u=F(f) усилителя при U_вх=const.

5. Вычислите коэффициенты усиления по напряжению.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

1. Прочитайте краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы.

2. Ответьте на вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе.

3. Ознакомьтесь с условием заданий для лабораторной работы.

4. Подготовьте форму отчета по лабораторной работе.

5. Соберите схему инвертирующего усилителя, установив перемычки согласно рис. 31. Подключите к входу (гнезда Х9, Х14) и выходу (гнезда Х10, Х15) операционного усилителя мультиметры в режиме измерения постоянного напряжения. Установите переключатель SA1 в соответствующее положение с учетом заданного преподавателем значения сопротивления R4.

Рис. 31 - Схема для исследования инвертирующего усилителя

6. Снимите и постройте передаточную характеристику U_вых = f(U_вх) на постоянном токе при двух полярностях входного сигнала. В качестве источника входного сигнала используйте выходное напряжение потенциометра RP1. Для этого установите перемычку между гнездами Х3 и Х9. Сопротивления резисторов установите в соответствии с указанием преподавателя. Включив электропитание, определите максимальные выходные напряжения ±U_{вых max} и соответствующие им входные напряжения ±U_{вх max}. Затем, изменяя входное постоянное напряжение в пределах от 1,2U_{вх mах}до +1,2U_{вх mах} снимите амплитудную характеристику. Результаты измерений занесите в соответствующую таблицу.

7. По передаточной характеристике определите коэффициент усиления по напряжению.

8. Снимите и постройте амплитудно-частотную характеристику К_u=F(f) усилителя при U_вх=const для заданного значения резистора R4. Для этого на вход усилителя подайте напряжение от функционального генератора (рис. 32). Амплитуды входного и выходного сигналов измеряйте осциллографом. Результаты занесите в соответствующую таблицу.

Рис. 32 - Схема для снятия амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя

9. По данным опыта вычислите коэффициенты усиления по напряжению и постройте амплитудно-частотную характеристику усилителя.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Запись номера, наименования и цели работы.

2. Чертеж схемы для исследования инвертирующего усилителя.

3. Чертеж схемы для снятия амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя.

4. Запись максимальных выходных напряжений и соответствующих им входных напряжений.

5. Запись результатов измерений для построения передаточной характеристики.

6. Чертеж передаточной характеристики.

7. Определение коэффициент усиления по напряжению.

8. Запись амплитуды входного и выходного сигналов, измеренных осциллографом.

9. Запись результатов измерений для построения амплитудно-частотной характеристики.

10. Чертеж амплитудно-частотной характеристики.

11. Определение коэффициент усиления по напряжению.

12. Запись кратких выводов по работе.

Образец отчета по лабораторной работе

Лабораторная работа №5.

Изучение работы операционных усилителей.

Цель: формирование умения применять операционные усилители. Формирование умения определять параметры операционных усилителей. Формирование умения строить характеристики операционных усилителей.

Схема для исследования инвертирующего усилителя.

Схема для снятия амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя.

Максимальные выходные напряжения и соответствующие им входные напряжения:

максимальное выходное напряжение ±U_{вых max} = ____________ В;

максимальное входное напряжение ±U_{вх max} = ______________ В.

Результаты измерений для построения амплитудной характеристики.

U_вх, В

U_вых, В

K_u

Передаточная характеристика инвертирующего усилителя.

U_вых, В

U_вх, В

0

Коэффициент усиления по напряжению определенный по передаточной характеристике K_u = _____________.

Амплитуды входного и выходного сигналов, измеренных осциллографом в схеме для снятия амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя:

максимальное выходное напряжение ±U_{вых max} = ____________ В;

максимальное входное напряжение ±U_{вх max} = ______________ В.

Результаты измерений для построения амплитудно-частотной характеристики.

f, Гц

U_вх, В

U_вых, В

K_u

Амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя.

K_u

0

f, Гц

Коэффициент усиления по напряжению определенный по амплитудно-частотной характеристике K_u = _____________.

Краткие выводы: _____________________________________________.