Электротехника и электроника : электроника на оборудовании UniTr@in. Усилители постоянного и переменного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2402 

Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники

А.Б. Ваттана  
М.В. Колистратов  
Л.А. Шапошникова  

Электротехника и электроника

Электроника на оборудовании UniTr@in. 
Усилители постоянного и переменного тока 

Лабораторный практикум 
 
Под редакцией профессора Ф.И. Маняхина 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2014 

УДК 621.3+621.38 
 
В21 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Г.Г. Шапкарина 

Ваттана, А.Б. 
В21  
Электротехника и электроника : Электроника на оборудовании UniTr@in. Усилители постоянного и переменного тока : лаб. 
практикум / А.Б. Ваттана, М.В. Колистратов, Л.А. Шапошникова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 47 с. 
ISBN 978-5-87623-805-4 

Изложены основные теоретические сведения и расчетные формулы по 
темам лабораторных работ по электронике. Приведены описания транзисторных усилительных схем и схем на операционных усилителях, смоделированных на оборудовании Lucas-Nulle. Даны общие методические рекомендации к выполнению лабораторных работ, обработке данных и оформлению 
отчетов о работах. 
Предназначен для студентов специальностей 150100, 210100, 222900 при 
выполнении лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника». 
 
УДК 621.3+621.38 

ISBN 978-5-87623-805-4 
© А.Б. Ваттана, 
М.В. Колистратов,  
Л.А. Шапошникова, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Правила выполнения лабораторных работ ............................................4 
Содержание отчета о лабораторной работе ...........................................5 
Лабораторное оборудование....................................................................6 
Лабораторная работа 1. Исследование двухкаскадных усилителей  
на биполярных транзисторах...................................................................8 
Лабораторная работа 2. Исследование схем на операционных 
усилителях...............................................................................................18 
Лабораторная работа 3. Компараторы и триггеры Шмитта ...............33 
Библиографический список...................................................................45 
Приложение. Пример оформления титульного листа  
лабораторной работы .............................................................................46 
 
 

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ 
РАБОТ 

1. Лабораторные работы проводятся в лабораторном классе с 
применением учебной платформы UniTr@in. 
2. Для допуска к выполнению лабораторных работ студент обязан 
ознакомиться с правилами работы в компьютерном классе и правилами техники безопасности.  
3. К началу лабораторной работы студенту необходимо ознакомиться с ее содержанием, изучить теоретические сведения по теме 
лабораторной работы, подготовить отчет для внесения экспериментальных данных и выполнения расчетов. 
4. Полученные в ходе выполнения работы результаты студент 
должен занести в отчет о лабораторной работе. 
5. При анализе результатов лабораторной работы полученные 
расчетные данные и характеристики необходимо прокомментировать 
(пояснить) с позиций известных теоретических положений. 
6. Выводы по результатам лабораторной работы следует занести в 
отчет. 
7. Студент должен защитить оформленную лабораторную работу. 
К защите допускаются студенты, получившие допуск, выполнившие 
лабораторную работу в полном объеме задания и оформившие ее в 
соответствии с настоящими правилами. 
8. Для защиты лабораторной работы необходимо представить 
расчетно-графический экспериментальный результат и уметь объяснить его, а также ответить на вопросы преподавателя. 
 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 
О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 

Лабораторная работа оформляется в виде отчета на скрепленных 
листах формата А4 (или в лабораторной тетради) с титульным листом (см. приложение). Схемы, графики и таблицы должны быть начерчены карандашом с использованием трафарета или линейки с соблюдением принятых стандартных условных обозначений. 
Отчет о лабораторной работе должен содержать следующие пункты: 
1. Наименование лабораторной работы. 
2. Цель работы. 
3. Краткое теоретическое введение и расчетные формулы. 
4. Электрические схемы цепей с измерительными приборами. 
5. Таблицы с расчетными и экспериментальными данными. 
6. Графики, временны´ е диаграммы, вольт-амперные характеристики (ВАХ). 
7. Выводы по результатам лабораторной работы. 

ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 

Интерфейсный модуль UniTr@in-I (рис. 1) является центральным 
устройством UniTr@in-I-системы. Он обеспечивает необходимые для 
проведения опытов входы и выходы, различные реле и измерительную технику. Он имеет собственный микропроцессор и запоминающее устройство для сохранения данных измерений. Модуль подключается к компьютеру по интерфейсу USB или RS232 (COM порт компьютера) для передачи результатов измерений в компьютер и установочных данных в интерфейсный модуль. 
Интерфейсный модуль UniTr@in-I предназначен для стыковки с 
одним или несколькими испытательными стендами UniTr@in-I. Испытательные стенды UniTr@in-I (рис. 2) выдают постоянные и переменные напряжения для проведения экспериментов и имеют инфракрасный порт. Интерфейсный модуль UniTr@in-I, испытательный 
стенд UniTr@in-I и плата для экспериментов связаны друг с другом 
через шину (96-контактный разъем). 
Эксплуатация и настройка оборудования, так же как и измерения в 
масштабе реального времени, выполняются посредством виртуальных 
приборов (ВП). Виртуальные приборы выглядят реалистично, поэтому 
элементы управления лабораторным оборудованием позволяют работать как в «классической» лаборатории. ВП поставляются с ВПстартером (для случаев, когда виртуальные приборы используются 
вне L@Bsoft) или опционально с программным обеспечением L@Bsoft. 
При проведении лабораторных работ также используется цифровой мультиметр MetraHit (рис. 3), позволяющий измерять напряжение, ток и ряд других параметров. 

 

Рис. 1. Интерфейсный модуль 
Рис. 2. Испытательный стенд 

Рис. 3. Мультиметр MetraHit 

Включается прибор нажатием на кнопку ON/OFF. Для измерения, 
например, напряжения необходимо выставить центральный переключатель на тип измеряемого напряжения (постоянное, переменное). Тип выбранного напряжения отобразится на экране прибора 
(DC, AC). Если вставить щупы в открытые клеммы прибора и другими концами щупов прикоснуться к месту снятия напряжения, то напряжение отобразится на экране.  
В случае измерения тока тип тока определяется нажатием кнопки 
FUNC.  

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАСКАДНЫХ 
УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ 
ТРАНЗИСТОРАХ 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

1. Получить навыки работы с интерфейсным модулем UniTr@in. 
2. Научиться работать с измерительными приборами и осциллографом. 
 3. Изучить влияние обратных связей на коэффициент усиления 
и полосу пропускания каскадов усиления. 

1.2. Теоретическое введение 

Усилительные каскады с общим эмиттером, являющиеся основой 
усилителей напряжения, имеют коэффициент усиления KU, равный, 
как правило, нескольким десяткам. Однако для многих устройств промышленной электроники требуются усилители со значительно 
бóльшими коэффициентами усиления по напряжению. В этих случаях 
часто используют многокаскадные усилители с резистивно-емкостной 
связью. На рис. 1.1 приведена схема двухкаскадного усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью на биполярных транзисторах типа n-p-n. Усилитель состоит из двух усилительных каскадов с 
общим эмиттером, соединенных между собой через конденсатор связи 
Cс1, который не пропускает постоянную составляющую коллекторного 
напряжения транзистора VT1 в базовую цепь транзистора VT2. Конденсатор связи Cс2 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора VT2 на нагрузочное устройство усилителя, которое подключают к этому конденсатору. 
Коэффициент усиления такого усилителя зависит от частоты. На 
нижних частотах уменьшение коэффициента усиления происходит 
из-за конденсатора связи между каскадами, так как с уменьшением 
частоты сопротивление XC конденсатора связи возрастает, падение 
напряжения на нем увеличивается, выходное напряжение уменьшается, что приводит к снижению коэффициента усиления. На высоких 
частотах коэффициент усиления уменьшается из-за влияния емкости 
коллекторного перехода транзисторов. 

Рис. 1.1. Схема двухкаскадного усилителя напряжения  
с резистивно-емкостной связью на биполярных транзисторах 

 

Рис. 1.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя 
напряжения с резистивно-емкостной связью  

Частотная характеристика двухкаскадного усилителя исследуется 
между частотами, допускающими уменьшение выходного напряжения на 0,707 (1/
2)  от его максимального значения. Разность между 
верхней и нижней частотой сигнала, допускающей такое уменьшение, называют полосой пропускания усилителя. Зависимость коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной 
характеристикой (рис. 1.2). 
В каждом усилительном каскаде применена температурная стабилизация, обеспечиваемая элементами Rэ и Cэ. Наличие этих элементов создает отрицательную обратную связь в каждом из каскадов. 

Введение отрицательной обратной связи улучшает свойства усилителя: снижается уровень нелинейных искажений; расширяется полоса пропускания усилителя как в сторону низких, так и в сторону 
высоких частот, так как всякое изменение коэффициента усиления 
ослабляется действием отрицательной обратной связи. 
Снижение уровня нелинейных искажений можно объяснить следующим образом. В усилителе без обратной связи при большом входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной гармоники появляются высшие гармонические 
составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения. При введении отрицательной обратной связи высшие гармонические составляющие через звено обратной связи подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выходе. Усиленные высшие 
гармоники вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как 
благодаря действию отрицательной обратной связи они будут находиться в противофазе с высшими гармоническими составляющими, появляющимися вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким 
образом, содержание гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а следовательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с отрицательной обратной связью будут меньше. 
В лабораторной работе исследуется также влияние на полосу пропускания прямой связи между каскадами, когда выход первого каскада 
непосредственно связан со входом второго (без конденсатора связи 
между каскадами). 
Коэффициент усиления двухкаскадного усилителя в идеальном случае равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. 

1.3. Оборудование для проведения работы и объекты 
исследования 

Работа проводится на оборудовании UniTr@in. В качестве исследуемой платы используется плата «Многокаскадные усилители» 
SO4203-7N (рис. 1.3). В качестве программного обеспечения к установке используется оболочка L@Bsoft, которая позволяет устанавливать необходимое напряжение, а также использовать виртуальные 
приборы (амперметры и вольтметры) и осциллограф. В данной работе также может быть использован мультиметр MetraHit Plus. 
Плата содержит два типа двухкаскадных усилителей: один с выводом первого транзистора усилителя, непосредственно связанного с 
базой второго, другой двухкаскадный со связью каскадов через конденсатор. Таким образом, будет изучено различие между этими двумя типами связей. 

Технические данные платы: напряжение питания +15V, 0…10 
Vpp / 1 kГц. 

 

Рис. 1.3. Плата «Многокаскадные усилители» SO4203-7N: 
 верхняя схема – двухкаскадный транзисторный усилитель с двумя каскадами, 
соединенными через конденсатор (транзисторы 2×BC550C); нижняя схема – 
двухкаскадный транзисторный усилитель с двумя каскадами, соединенными 
непосредственно (транзисторы BC550C и BC560B) 

1.4. Порядок выполнения работы 

Опыт 1. Исследование двухкаскадного усилителя с емкостной 
связью между каскадами 

В этом опыте исследуется влияние обратных связей в эмиттерных цепях каскадов усиления на коэффициент усиления и полосу 
пропускания. 
На плате «Многокаскадные усилители» SO4203-7N используется 
верхняя схема, подробно представленная на рис. 1.4. 
Электропитание +15 В подается к экспериментальной плате 
SO4203-7N от UniTr@in. Сигнал поступает от аналогового выхода 
комплекса через 2 мм гнезда на плате (см. рис. 1.4). 
Запустить в компьютере программу L@Bsoft.