2.8. Блокирующий конденсатор. Одним из наиболее частых применений конденсаторов является использование их для блокировки постоянного тока на путях про-

; хождения сигнала переменного тока. Его можно рассматривать как фильтр верхних частот при том условии, что частота интересующих нас сигналов намного превышает частоту, отвечающую значению -3 дБ. Для изучения действия блокирующего конденсатора соберите схему, показанную на рис, 2.10, слева.

Вход о-

+ 15В 1

А,1 м ф

[сдедите за полярностькз)

10 т

-----

Выход

AJ мкф

4,7 кОм

1 100 кОм I

Рис. 2.10. Блокирующий конденсатор.

Подключите эту схему к генератору и наблюдайте выходной сигнал на осциллографе со связью по постоянному току. Схема пропускает сигнал переменного тока, наложенный на постоянный уровень --5 В. Теперь добавьте цепь, обозначенную пунктиром (другой блокирующий конденсатор), и рассмотрите сигнал, снова привязанный к уровню земли. Какова нижняя граничная частота для этой блокирующей схемы?

2.9. LC-фильтры. Можно строить фильтры верхних частот, нижних частот и т. д, с частотной характеристикой намного более крутой, чем у простых /?С-фильтров, которые сейчас были рассмотрены. Это делается сочетанием катушек индуктивности с конденсаторами или применением усилителей (в последнем случае получаются так называемые акт1вные фильтры , см. гл. 4 в тексте книги). Чтобы попробовать возможности, которые таким образом получаются, испытайте фильтр, показанный на

820 Ом

J 0,0033мкФ d= 0,01 мкф =р 0,0033мкФ=р

910 ОМ

Выход

Рис. 2.11. Пятиполюспый фильтр Баттерворта нижних частот, сконструирован с использованием процедуры приложения 3.

рис. 2 11. У него точка, отвечающая значению -3 дБ, лежит на частоте 33 кГц, и его характеристика при более высоких частотах падает почти отвесно. Измерьте для него частоту/з дб, а потом измерьте его характеристику в точках /=2/здб и /= 10/здб. Сравните эти данные с довольно пологой характеристикой ?С-фильтра нижних час-тог, которую вы измеряли в разд. 2.4, и с расчетными амплитудными характеристиками (т. е. отношениями амплитуд выходного и входного сигналов) этих двух фильтров, указанными в следующей таблице;

Частота

Лабораторная работа 3, Диоды

Материал для чтения; конец гл, 1, включая стр. 54-55 т. 1; приложение Д,

Задачи в тексте; дополнительные упражнения 7.8. ЗЛ. Резонансный LC-контур. Соберите параллельный резонансный контур, как показано на рис. 3.1. Возбудите его синусоидальными ж>лебаниями (используйте диапазон генератора 10 кГц) и наблюдайте за реакцией. По значениям параметров элементов найдите резонансную частоту, сравните ее с экспериментально полученным значением. Виртуозное упражнение: попробуйте использовать генератор в режиме

100 кОм

0.1 мкФ (майларобый)

Выход

7 мГ

Рис. 3.1. Настроенный параллельный LC-контур.

развертки частоты (если есть такая возможность), при этом горизонтальное отклонение луча осциллографа должно осуществляться от развертки частоты. Тогда на экране получится изображение частотной характеристики. Если вам это удалось, объясните, почему на наблюдаемой характеристике появляются забавные качания при увеличении скорости развертки.

Еще более интересное упражнение состоит в использовании этого контура как фурье-анализатора - его выход является приближенной мерой присутствия составляющей 6 кГц в колебаниях, подаваемых на вход. Попробуйте пропустить через контур прямоугольные импульсы на резонансной частоте; отметьте амплитуду выходных синусоидальных колебаний. Теперь постепенно уменьшайте частоту, пока не получите второй существенный подъем амплитуды выходных колебаний (для прямоугольных импульсов это случится па частоте, равной 1/3 от резонансной), и замерьте

ПО В

.перем.тока

1М9И

Гб,з в

перемтока

2,2 кОм

Рис. 3.2. Однополупериодиый выпрямитель.

амплитуду (она должна быть порядка 1/3 от исходной). При некоторой старательности можно найти амплитуду и частоту первых пяти или шести членов ряда Фурье. Можете ли вы придумать способ измерения числа я с помощью этого контура? 3.2. Одиополупериодный выпрямитель. Соберите однополупериодиый выпрямитель на базе трансформатора на 6,3 В (эфф.) и диода 1N914

(рис. 3.2). Подсоедините нагрузку 2,2 кОм и посмотрите выходное напряжение на осциллографе. То ли вы видите, что ожидали? Полярность? Почему £/пик>6,3 В?

Диоды

3.3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Теперь соберите двухполупериод ную мостовую схему (рис. 3.3). Будьте внимательны насчет полярности - полоса на диоде означает катод (см. рис. 3.3). Посмотрите на выходные колебания (но не пытай- тесь одновременно смотреть входное напряжение на вторичной обмотке трансформатора с помощью второго канал а осциллографа. Что произойдет в этом случае?). Имеет

f1D В

перем.тока

6,3 В перем.тока

2Д кОм

Рис. 3.3. Двухполупериодный мост.

ли смысл использовать эту схему? Почему пиковая амплитуда меньше, чем у предыдущей схемы? Какова она должна быть? Что случится, если поменять полярность одного из диодов? (Не пытайтесь этого делать!) Посмотрите на участок выходного напряжения около нуля вольт. Откуда взялись плоские участки? Измерьте их длительность и дайте объяснение.

3.4. Пульсации. Подсоедините параллельно выходу конденсатор фильтра емкостью 15 мкф. (Важно помнить полярность) Хорош ли выходной сигнал? Подсчитайте, какова должна быть амплитуда пульсаций, а потом измерьте ее. Совпадает? Если нет, то не ошиблись ли вы на множитель 2, определяя время разряда конденсатора? Теперь присоедините параллельно выходу конденсатор 500 мкФ (опять же помните о полярности) и убедитесь, что пульсации сведены к значениям, вами предсказанным. Эта схема теперь является вполне приличным источником напряжения для нагрузок с малым потреблением тока. Чтобы создать источник питания , способный давать больший ток, вам придется применить диоды помощнее (например, 1N4002) и конденсатор побольше.

3.5. Сигнальные диоды. Постройте с помощью диода дифференциатор с выпрямлением (рис. 3.4). Подайте на него прямоугольные импульсы с частотой порядка 10 Гц при

560 пФ

1N914

Т

Выход 2,2 кОм

Рис. 3.4. Дифференциатор с выпрямлением*

максимальной амплитуде генератора. Пронаблюдайте входной и выходной сигналы, используя оба канала осциллографа. В чем смысл этой цепи? Зачем нужен резистор нагрузки 2,2 кОм? Попробуйте его убрать.

3.6. Диодный ограничитель. Постройте простой диодный ограничитель по схеме рис, 3.5. Подайте на вход синусоидальные колебания максимальной амплитуды от

1 kQw

Выход

+ 5В

Рис. 3.5. Диодный ограничитель.

генератора и наблюдайте выходной сигнал. Теперь используйте делитель напряжения в качестве источника напряжения ограничения (рис. 3.6). Подайте на схему синусоиду с большой амплитудой и посмотрите на пик выходного сигнала. Почему он так сильно скруглен? (Указание: учтите полное выходное сопротивление источника на-

1 Ом

-О

Выход

1N9H

г ком

+ 16 В

Рис. 3 6. Схема ограничения с уровнем ограничения, заданным делителем напряжения.

пряжения , образованного делителем напряжения.) Чтобы проверить ваше объяснение, возбудите схему треугольными импульсами; результат сравните с рис. 1.83 в тексте.

Для исправления ситуации попробуйте добавить конденсатор 15 мкФ, как показано пунктиром (заметьте полярность). Испытайте схему. Объясните сами для себя, как она работает. Это будет хорошей иллюстрацией понятия шунтирующего конденсатора. Что он шунтирует и зачем?

3.7. Диодный ограничитель. Соберите простой диодный ограничитель, показанный на схеме рис. 3.7. Подавайте на его вход синусоидальные колебания, треугольные и прямоугольные импульсы различной амплитуды Объясните, как и почему работает схема. Можете ли вы придумать для нее какое-нибудь применение?

1 иОм

1N311

:![ 1N914

Рис. 3.7. Диодный ограничитель.

3.8. Полное сопротивление измерительных приборов. В первой лабораторной работе мы отмечали, что идеальный измерительный прибор не должен оказывать влияния на испытываемую схему. В силу этого условия вольтметр, например, должен иметь бесконечное полное сопротивление, а амперметр - нулевое. Аналогично этому осциллограф должен иметь бесконечное полное сопротивление, а источник питания и функциональный генератор - нулевое.

Начнем с измерения внутреннего сопротивления авометра в диапазоне 10 В постоянного тока. Умному человеку для этой работы понадобится только источник постоянного напряжения и резистор. Проделайте ту же работу в диапазоне 50 В постоянного тока, В чем здесь суть? Большинство авометров со стрелкой-указателем маркируются фразой вроде 20 ООО Ом на вольт в диапазонах постоянного тока. Что эю значит? Прочитайте раздел об измерительных приборах на стр. 23-24, т. 1.

Теперь с помощью того же приема измерьте входное активное сопрогивление осциллографа. Помните, что если это действительно хороший прибор для измерения напряжения, то эю сопротивление должно быть достаточно большим. В качестве источника напряжения лучше использовать генератор синусоидальных колебаний 100 Гц, а не источник постоянного напряжения, как в прошлый раз.

Чтобы измерить входное полное сопротивление осциллографа, подайте на него сигнал через сопротивление 1 МОм (рис. 3 8). Каково будет ослабление на низкой частоте (/< 1 кГц)? Теперь увеличивайте частоту. Что происходит? Объясните это, считая йлод осциллографа параллельным соединением и С. Каковы приблизительные

лачения R и С? Как можно улучшить эту схему, чтобы сигнал на всех частотах ос-( йблялся ровно вдвое? Попытаетесь это сделать!

Теперь вернитесь обратно и прочитайте о щупах (пробниках) в приложении А стр. 398, т. 2). Воспользуйтесь щупом 10х для исследования калибровочного

1 МОм

т

К осциллографу, каиалг

К осциллограф^, канал 1

Рис. 3.8. Схема для измерения полного сопротивления входа осциллографа.

:игнала (обычно прямоугольного с частотой 1 кГц напряжением 1 В), выведенного на [среднюю панель осциллографа. Отрегулируйте компенсацию щупа, чтобы получить сороший прямоугольный импульс на экране. Используйте эти щупы на вашем ос-шллографе во всех остальных лабораторных работах, как настоящий профессионал!

И наконец, измерьте внутреннее выходное сопротивление функционального ге-lepaTopa. (Не пытайтесь делать этого омметром!) Вместо этого подключите к генера-xipy в виде нагрузки резистор с известным сопротивлением и замерьте падение на-1ряжения на нем. Для определения ?вых достаточно одного значения но вы по-1робуйте несколько, чтобы получить результат с уверенностью. Сигнал используйте *алый, скажем 1 В полного размаха (от пика к пику) при частоте 1 кГц.

Лабораторная работа 4. Транзисторы I

Материал для чтения: разд. 2.01-2.08, стр. 88-111, т. 2. Задачи в тексте; дополнительные упражнения 1,3; негодные схемы, а, б, г, t, 3, и.

1.1. Транзисторные переходы являются диодами. Возьмите прп-транзистор 2N3904, 1роверьте, что его можно представить, как показано на рис. 2.2, промерив переходы

Корпо 10-92

Рис. 4.1. Корпус транзистора ТО-92.

ЗК и БЭ авометром в диапазоне RX 100 (не пользуйтесь диапазоном RXI - слишком Ьлъшой ток). Какое предположение следует из рис. 2.2 в тексте относительно результата такого измерения на переходе КЭ? Попробуйте измерить его авометром. Запом-

ffSB

(ИЛИ Меньше]

♦ 5В -o-d}-o-{ h-

ч

Рис. 4.2. Схема для измерения

иите, что это неплохой способ проверки на месте транзистора при подозрении на неисправность - он должен по крайней мере вести себя, как пара диодов.

4.2. Коэффициент усиления транзистора по току. Измерьте ftgjg ри нескольким значениях с помощью схемы рис. 4.2. Резисторы 4,7 кОм и 1 кОм ограничивают токи. Какие токи они ограничивают и до каких пределов?

Испробуйте различные значения R, используя магазин сопротивлений, например 4,7 МОм, 1 МОм, 470 кОм, 100 кОм, 47 кОм. Оцените в каждом случае ток базы (f/69~0>6 В) и по измеренным значениям тока коллектора подсчитайте ftjia-

4.3. Транзисторный ключ. Испытайте схему рис. 4.3, в которой транзистор работает в качестве ключа, т. е. или заперт, или находится в состоянии насыщения. Включите н выключите ток базы, отсоединяя и подсоединяя один конец резистора к источнику напряжения стенда i>.

+ 5 6

1 иОм

лампа (о,15А,6,3В)

гМ3725

ЩЦС ТО-5

Рис, 4,3. Транзисторный клю<г.

Оцените приблизительно ток базы /g. Каково минимально необходимое значение

Измерьте напряжение насыщения f/кэ нас пробником осциллографа. Потом за-параллельте резистор базы сопротивлением 150 Ом и заметьте улучшенное f/кэ нас Подробнее о насыщении см. приложение Ж в тексте книги.

4.4. Эмиттерный повгоритель. Соберите эмиттерный повторитель на прп-транзисторе (рис. 4.4). Подайте на него синусоидальную волну, симметричную относительно нуля

+ 15 В

3.3 нОм

Рис. 4.4. Эмиттерный повторитель. Малый резистор в цепи базы часто необходим для предупреждения колебаний.

(убедитесь, что сдвиг постоянного тока генератора установлен на нуль), и посмотрите на осциллографе, какое получается плохое повторение . Дайте точное объяснение, почему так получается. Теперь попробуйте подсоединить питание амиттера (точка, обозначенная на схеме {/дэ) к напряжению -15 В вместо земли и посмотрите выходной сигнал. Объясните, что получилось.

4.5. Входное и выходное полное сопротивление повторителя, В последней схеме замените малый резистор базы на 10 кОм, чтобы имитировать источник сигнала с умеренно высоким полным сопротивлением, т. е. малой способностью отдавать ток (рис, 4.5).

> Еще лучше, включив 1 кОм на +5 В постоянно, закорачивать базу на землю. Это нужно, чтобы транзистор не оказывался в режиме оборванной базы - Прим. ред.

а) Измерьте 2вых - выходное полное сопротивление повторителя, подсоединив нагрузку 1 кОм (с блокировочным конденсатором - зачем?) к выходу повторителя и наблюдая за падением амплитуды выходного сигнала; используйте для этого малый входной сигнал - меньше вольта Если рассматривать выход эмиттерного повторителя как источник сигнала, соединенный последовательно с 2бых [схема Тевенипа],

+ 15Б

10 Ш

-С

-1 I-

0 t

Вьиод

4,1 мкФ

ч I +

3,3 кОм

15 В

О

Рис. 4 5. Схема для измерения и 2вьгх У эмиттерного повторителя.

то нагрузка 1 кОм образует вместе с 2вых на частоте сигнала делитель, при этом пол- ное сопротивление блокг^ровочного конденсатора пренебрежимо мало. Отсюда находим 2вых- Имеет ли смысл измеренное значение?

б) Уберите нагрузку 1 кОм Теперь измерим Zgx. полное входное сопротивление, связанное в этой конкретной схеме с базой транзистора, проводя измерения поочередно на обоих концах входного резистора 10 кОм. При этом измерении резистор эмигтера 3,3 кОм также является нагрузкой . Снова используйте малый сигнал, В чем смысл результата? (См. стр. 94, т. 1 )

4.6. Повторитель с одиночным источником питания. На рис. 4 6 показана смещенная должным образом схема эмиттерного повторителя, работающего от одиночного

+ 15 В

130 кбм

I5Q кОм

7,5 k(JM

Рис. 4.6. Повторитель с однополюсным источником питания. Резистор 270 Ом, последовательно присоединенный к базе, может оказаться необходим, если в схеме присутствуют автоколебания.

источника положительного питания. Эта исходит из примера на стр. 99-102, т. I. Соберите схему и проверьте ее способность отдавать выходной сигнал с большим размахом до появления ограничения. Схемы усилителей при наибольших динамических диапазонах должны иметь симметричное ограничение.

4.7. Источник тока. Постройте источник (приемник тока) по схеме рис, 4.7. Медленно изменяйте переменную нагрузку 2,5 кОм и наблюдайте за изменением значения измеренного авометром тока. Что произойдет при максимальном значении сопротивления? Можете ли вы это объяснить в терминах рабочего диапазона по напряжению источника тока?

Даже в рабочем диапазоне напряжений можно обнаружить изменения выходного тока с изменением нагрузки Чго вызывает эти изменения? Можете ли вы проверить ваше объяснение соответствующими измерениями? (Указание: при объяснении работы Источника юка на стр. 102, т. 1 сделаны два важных допущения.)

2500 Ом (нагрузка)

0-10 мА

+ I5

вго

Рис. 4.7. Транзисторный источник тока.

4.8. Усилитель с общим эмиттером. Соберите усилитель с общим эмиттером по схеме )ис. 4.8. Каким должен быть его коэффициент усиления по напряжению? Проверьте, инвертируется ли фаза сигнала? Правильно ли установлена рабочая точка покоя кол-

+ 15В

56 КОМ 0,33 мкФ

5,6 КОМ

6,8 кОц

Рис. 4.8. Усилитель с общим эмиттером.

лектора (т. е. его напряжение покоя)? Что можно сказать о нижней граничной частоте усилителя, отвечающей значению -3 дБ Каково его выходное полное сопротивление? Проверьте это подключением активной нагрузки с блокирующим конденсатором.

4.9. Буферный эмиттерный повторитель. Добавьте прп-эмиттерный повторитель к описанному усилителю. Тщательно продумайте связь и смещение. Используйте резистор 1 кОм в цепи Эмиттера. Снова измерьте выходное полное сопротивление, используя малый сигнал. Изменился ли общий коэффициент усиления от добавления эмиттерного повторителя?

Лабораторная работа 5. Транзисторы 2

Материал для чтения: разд. 2.09-2 14, стр. 111-127, т. 1.

Задали в тексте; дополнительные упражнения 2,7, негодные схемы в, е. 5.1, Дннамнческнй построитель диодной характеристики. Соберите построитель характеристик и - /, изображенный на рис. 5.1. Он использует горизонтальный и вертикальный входы осциллографа для получения зависимости / от U. Объясните, как он работает, в частности, почему нельзя трансформатор на 6,3 В заменить генератором?

Испробуйте схему. Сначала исследуйте диод 1N914. Установите, где находится уровень нулевого тока и напряжения на экране осциллографа, поочередно отключая Сигнал от горизонтального и вертйкалпюго входов. Вычислите калибровку мА/дел., В/дел. и постройте с разумной точностью график иа миллиметровке. Сравните его с

110 В яерем

Рис. 5.1. Динамический построитель диодных характеристик.

графиком, полученным в лабораторной работе 1.3. Посмотрите на изображение диодной характеристики, чтобы почувствовать формулу Эберса - Молла. Потом поменяйте полярность диода. Наконец, замените lN9i4 {обычный сигнальный диод) на 1N749 или ему подобный (стабилитрон 4,3 В) и также постройте его характеристику. 5.2. Формула Эберса - МолЛа. Соберите схему, которую вы использовали для измерения (рис. 5.2). Используйте вновь магазин сопротналепий для генерации коллекторного тока от нескольких микроампер до нескольких миллиампер. Постройте в логарифмическом масштабе график возрастзгня U с ростом и подтвердите закон 60 мВ/декада .

+ 15 В

R 4.1 иОм

4 0-1-М>-ЕГ>-

Q-5Q мкЛ - Q - 1 мА U-10 ма

кОм

В1Ш

7,5и0м 7,5 В

2N3904

В ; Цифровом вольтметр 0-1 В

0.1 миф 10 нОм

.Выход

ZN39Q4

IkQm

15 МкФ

Рис. 5.2. Схема для измерения зависимо- Рис. 5.3. Усилитель с заземленным

сти /к от t/бэ.

эмиттером.

5.3. Усилитель с заземленным (общим) эмиттером. Соберите схему рис, 5.3 (рис, 2.35 из текста книги). Во-первых, проверьте напряжение покоя коллектора. Потом подайте на вход малые треугольные импульсы с частотой 10 кГц с амплитудой, почти дающей ограничение (нужно будет сильное ослабление - 40 дБ и более - на функциональном генераторе). Имеют ли колебания на выходе вид, показанный на рис. 5.4 (в тексте рис. 2.34)? Уясните это для себя в деталях.

Рис, 5.4. Выходной сигнал большого размаха у усилителя с заземленным эмиттером, возбуждаемого треугольными импульсами.

17 №62

Теперь уберите конденсатор 15 мкФ, увеличьте амплитуду входного сигнала (коэффициент усилений сильно уменьшен), и вы увидите на выходе треугольные импульсы полного размаха без заметных искажений. Измерьте коэффициент усиления по напряжению; совпадает ли он с предсказанным вами>

Верните на место конденсатор 15 мкФ и ослабьте до минимума выходной сигнал функционального генератора. Учитывая г^, предскажите коэффициент усиления по напряжению в точке покоя. Измерьте его; есть совпадение

5.4. Смещение с помощью обратной связи по постоянному току. Соберите усилитель с заземленным эмиттером с обратной связью по постоянному току по схеме рис. 5 5 (в тексте рис 2,40), Такая организация схемы обеспечивает достаточную устойчивость смещения. Номинальная точка покоя коллектора есть 11 f/ggi грубо ~ 7 В. Если напряжение покоя коллектора, например, больше этого значения, то через делитель в цепи базы транзистор перейдет в состояние большей проводимости, и таким образом восстановится правильная рабочая точка; точно так же рабочая точка восстановится и при уменьшении напряжения покоя.

15 МКФ Е.8 кОм

+ 15

В,2 кОм

50 ком

+ !5

е,8 кОм

Рис. 5.5, Усилитель с за-земленньм эмиттером с обратной связью по постоянному току.

Рис. 5.6. Плохая схема смещения для усилителя с заземленным эмиттером.

Проверьте, что напряжение покоя коллектора оценено приблизительно правильно. Так как U зависит от температуры, то у вас должна быть возможность слегка изменить напряжение коллектора, подогревая транзистор пальцами; в какую сторону оно сдвинется? Практически эта малая температурная чувствительность ие является основным недостатком; смещение каскада с заземленным эмиттером без такой схемы обратной связи гораздо менее надежно, как мы сейчас увидим.

Отсоедините Ri от коллектора и подайте теперь смещение от потенциометра (рис. 5.6). После того как вы добьетесь от схемы удовлетворительной работы (симметричный размах без ограничений), замените 2N3904 (обычное значение Лгхэ порядка 100) иа 2N5962 (обычное значение /iia порядка 1000), и вы увидите, что транзистор попал в насыщение (слишком малое f/к). Идея такой схемы смещения порочна, поскольку велика зависимость режима от /igia-

Оставьте в схеме 2N5962 и вновь присоедините к коллектору резистор 68 кОм (/?i), как в исходной схеме. Удостоверьтесь, что смещение остается верным и при больших изменениях hu- В такой схеме цепь смещения обеспечивает также отрицательную обратную связь иа частотах сигнала. Более детальное обсуждение этого вопроса см. в гл. 3; но чтобы увидеть некоторые интересные и полезные эффекты, подключите входной сигнал через резистор 6,8 кОм и отметьте хорошую линейность и большой размах (снова воспользуйтесь треугольными импульсами), 5,5. Токовое зеркала Постройте классическое токовое зеркало (рис, 5.7) (в тексте рис. 2.43). Насколько точно выходной ток равен задающему (управляющему) току <который вы можете вычислить без всяких измерений)? Теперь попробуйте сжать