Исследование усилителей с обратными связями

 

Цель - изучить назначение и виды обратных связей в усилителях и экспериментально определить влияние обратных связей на параметры и характеристики усилителей.

Для исследования усилителей используются лабораторные макеты (см. рис. 2.1 и 3.1), на которых собираются схемы однокаскадных усилителей с различными видами обратных связей. В состав установок входят звуковые генераторы, цифровые вольтметры и осциллографы.

 

Теоретическая часть

 

Под обратной связью в усилителях понимается передача сигнала с его выхода на вход. Если передаваемый с выхода сигнал увеличивает входной сигнал, то такая связь называется положительной, а если уменьшает - отрицательной.

Существует обратная связь по току, напряжению и смешанная (комбинированная - по току и напряжению). При обратной связи по току напряжение обратной связи пропорционально току нагрузки усилителя . В обратной связи по напряжению напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению . В смешанной обратной связи пропорционально и току и напряжению в нагрузке.

В зависимости от подключения обратной связи ко входу усилителя различают обратную связь со сложением напряжений и со сложением токов. В первом случае выход обратной связи подключается ко входу усилителя последовательно с источником входного сигнала, а во втором случае - параллельно.

Для оценки фактора обратной связи используется коэффициент передачи звена обратной связи , который определяется по формуле:

 

(5.1)

 

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи К и коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью К_ОС, связаны между собой следующим выражением:

 

(5.2)

 

где знак + относится к отрицательной обратной связи (ООС);

знак- относится к положительной обратной связи (ПОС);

– называется фактором обратной связи.

ПОС увеличивает коэффициент усиления К_U, К_I, К_P, но уменьшает частотный диапазон усиливаемых сигналов, ведет к неустойчивости работы усилителя - его возбуждению и поэтому используется для создания на их базе электронных генераторов.

ООС оказывает противоположное действие, и поэтому используются в усилителях для улучшения их параметров и характеристик.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Используя лабораторные макеты (см. рис. 2.1, 3.1), собрать схемы усилителей с ООС по току со сложением напряжений и с ООС по напряжению со сложением напряжений, подключить на вход усилителя звуковой генератор, а на выход - осциллограф.

2. Установить частоту входного сигнала 1000 Гц и выполнить необходимые измерения для определения параметров усилителя с обратной связью. Снять нагрузочную характеристику усилителя.

3. Измерить выходное напряжение цепи обратной связи и определить .

4. Изменяя частоту входного сигнала в пределах 20 Гц - 200 кГц, выполнить необходимые измерения для построения частотных характеристик усилителей с отрицательными обратными связями.

Содержание отчета

 

1. Схемы, параметры и частотные характеристики усилителей с ООС по току со сложением напряжений и по напряжению со сложением напряжений.

2. Параметры усилителя без ОС (из ранее выполненных работ).

3. Теоретически рассчитанные и экспериментально полученные параметры усилителя с обратными связями.

 

Контрольные вопросы

 

1. Виды обратных связей.

2. Как влияют ОС на частотные характеристики усилителя?

3. Как влияют ОС на параметры усилителя?

4. Каково влияние ОС на устойчивость усилителя?

Литература: [5, 62-79, 214-219]

Лабораторная работа № 6

Исследование инвертирующего и не инвертирующего

Усилителей на базе ОУПТ

 

Цель работы - изучить принцип работы инвертирующего и не инвертирующего усилителей, построенных на базе операционных УПТ в интегральном исполнении. Экспериментально определить основные характеристики и параметры усилителей.

Для исследования усилителей необходим макет (см. рис. 6.1), источники питания, звуковой генератор, вольтметр и осциллограф. В макете использован ОУПТ серия 140УД1А.

 

Теоретическая часть

 

В зависимости от условий подачи на вход ОУПТ усиливаемого сигнала, а также с учетом подключения внешних компонентов, можно получить инвертирующее, неинвертирующее и дифференциальное включения усилителя. На рис 6.2, 6.3 приведены схемы соответственно неинвертирующего и инвертирующего включения ОУПТ.

Рис. 6.1 - Лабораторный макет для исследования схем на ОУ

 

С учетом того, что ОУПТ близок по своим характеристикам к идеальному усилителю (R_BХ , R_ВЫХ 0, K_U ); коэффициент усиления по напряжению схемы на ОУ определяется только параметрами цепи обратной связи:

- инвертирующее включение:

 

(6.1)

- неинвертирующее включение:

 

(6.2)

Рис. 6.2. - Схема неинвертирующего включения ОУПТ	Рис. 6.3. - Схема инвертирующего включения ОУПТ

Схема сумматора напряжений на инвертирующем ОУ приведена на рис.6.4.

 

Рис. 6.4. - Схема сумматора напряжений на инвертирующем ОУПТ.

 

Выходное напряжение сумматора U_ВЫХ рассчитывается по следующему соотношению:

(6.3)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать схему инвертирующего усилителя.

2. Включить источник питания +6 В и -6 В.

3. Установить «нуль» на выходе усилителя с помощью схемы установки нуля и вольтметра, переключенного к выходу усилителя.

4. От звукового генератора подать на вход усилителя напряжение с частотой f = 1кГц при уровне сигнала, соответствующего линейному режиму работы усилителя. Измерить экспериментально коэффициенты усиления усилителя в режиме холостого хода по выходу для двух значений резисторов обратной связи (R_ОС= 8,2 кОм, R_ОС = 8,2 кОм + 33 кОм).

5. Определить экспериментально величину входного сопротивления усилителя с использованием известного добавочного резистора для косвенного определения входного тока.

6. Определить величину выходного сопротивления усилителя.

7. Выполнить измерения для построения амплитудной характеристики усилителя U_ВЫХ = φ(И_ВХ ) при f = 1 кГц. Построить характеристику К = Ψ(U_ВХ).

8. Собрать схему неинвертирующего усилителя и выполнить п. 4, 5, 6.

Содержание отчета

 

1. Схемы исследуемых усилителей.

2. Таблицы данных измерений, формулы и расчеты экспериментальных и теоретических значений К_И, R_ВХ, К_ВЫХ. Сравнение результатов и объяснение расхождений.

3. Амплитудные характеристики усилителей.

4. Представление усилителей стандартными четырехполюсниками.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как экспериментально определяются входное и выходное сопротивления ОУ?

2. Каковы назначение и принцип работы установки «нуля»?

3. Для чего применяются цепи коррекции?

4. Начертите схему повторителя на ОУ.

Литература [8, 203-270].

 

Лабораторная работа № 7

Исследование компараторов

 

Цель работы - ознакомиться с принципом построения схем компараторов, экспериментально определить параметры и характеристики, ознакомиться с методикой расчета схем компараторов.

Установка включает макет (см. рис. 7.1), позволяющий с помощью переключателя собрать схему компаратора с обратной связью, а также и без обратной связи, цифровой вольтметр, осциллограф.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать схему компаратора без обратной связи.

2. Изменяя с помощью потенциометра R величину напряжения, подаваемого на I инвертирующий вход компаратора, снять зависимость выходного напряжения от входного, доводя компаратор до режимов насыщения. Определить пороговые уровни «0» и «1» компаратора.

3. Собрать схему компаратора с обратной связью и выполнить измерения в соответствии с п. 2.

Снять характеристику при увеличении входного напряжения от минимального до максимального и наоборот. Установить пороговые уровни «0» и «1», ширину петли гистерезиса.

 

Рис. 7.1 - Схема компаратора

 

4. Установить на 1-м входе компаратора произвольное значение напряжения (порядка ± 0,5 В), измерить его значение, а на 2-й вход подать линейно изменяющееся напряжение или синусоидальное от внешнего генератора, с амплитудой порядка 1,5 В.

Наблюдая с помощью двухканального осциллографа изменяющееся входное и выходное напряжения компаратора, установить величину входного напряжения, при котором происходит срабатывание компаратора. Сравнить его с напряжением на 1-м входе, сделать выводы.

 

Содержание отчета

 

1. Привести принципиальную схему компаратора.

2. Таблица зависимости U_ВЫХ = φ(U_ВХ)и графическое изображение характеристики компаратора без обратной связи.

3. Таблицы зависимости U_ВЫХ = Ψ(U_ВХ)и график характеристики вход-выход с обратной связью.

4. Установить пороговые уровни «нуля» и «единицы» для компаратора без обратной связи и с обратной связью, ширину петли гистерезиса.

5. Привести осциллограммы работы компаратора с источником линейно изменяющегося или синусоидального напряжений при U_ВХ = 0; U_ВХ = +1В; U_ВХ = -1В;

6. Сформулировать основные выводы о работе.

 

Контрольные вопросы

 

1. Объяснить назначение и работу схемы ограничения уровня выходного напряжения.

2. Как изменились бы пороговые уровни, если бы была введена отрицательная обратная связь с таким же фактором?

3. Как изменятся осциллограммы работы компаратора, если синусоидальный сигнал подавать не на вход 2, а на неинвертирующий вход?

Литература [16]

 

Лабораторная работа № 8