Электротехника и электроника. Электроника на оборудовании Uni-Train. Электронные усилители

Москва 2023

М И НИ С Т ЕРС Т ВО НА УК И И ВЫ С ШЕГО  О БРА З О ВА НИ Я РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК

Кафедра инфокоммуникационных технологий

А.Б. Ваттана 
М.В. Колистратов

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОНИКА 
НА ОБОРУДОВАНИИ UNI-TRAIN

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4693

УДК 621.38:004
 
В21

Р е ц е н з е н т ы :
канд. техн. наук, доцент А.И. Широков

Ваттана, Артур Бунтавович.
В21  
Электротехника 
и 
электроника. 
Электроника 
на оборудовании Uni-Train. Электронные усилители : 
лаб. практикум / А.Б. Ваттана, М.В. Колистратов. – 
М. : Издательский дом НИТУ «МИСиС», 2023. – 56 с.

Приведены основные теоретические сведения, расчетные формулы 
по темам лабораторных работ по электронике. Даны описания 
транзисторных усилительных схем и схем на операционных 
усилителях, смоделированные на оборудовании Lucas-Nulle. Изложены 
общие методические рекомендации к выполнению лабораторных 
работ, обработке данных и оформлению отчетов о работах.
Предназначено 
для 
студентов 
специальностей 
21.05.04, 
21.05.05, 23.05.01 при выполнении ими лабораторных работ по 
курсу «Электротехника и электроника». 

УДК 621.38:004

 Ваттана А.Б., 
Колистратов М.В., 2023
 НИТУ МИСИС, 2023

Содержание

Общие положения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 
НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ 
УСИЛИТЕЛЯХ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Лабораторная работа № 3
КОМПАРАТОРЫ И ТРИГГЕРЫ ШМИТТА . . . . . . . . . . . . . . 40

Приложение
Пример оформления титульного листа 
лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Общие положения

Правила выполнения лабораторных работ

1 Лабораторные работы проводятся в лабораторном 
классе с применением учебной платформы Uni-Train.
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, 
конспект с таблицами для внесения экспериментальных 
данных и выполнения расчетов.
4 Полученные в ходе выполнения экспериментов результаты 
студент должен занести в отчет о лабораторной работе.
5 При анализе результатов полученные расчетные данные 
и характеристики необходимо прокомментировать (пояснить) 
с позиций известных теоретических положений.
6 Выводы по результатам лабораторной работы следует 
занести в отчет.
7 Лабораторную работу необходимо защитить. К защите 
допускаются студенты, выполнившие лабораторную работу 
в полном объеме задания и оформившие ее в соответствии с настоящими 
правилами.
8 Для защиты работы необходимо не только представить 
расчетно-графический экспериментальный результат, но и 
объяснить его, а также ответить на вопросы преподавателя.

Содержание отчета

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 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, временные диаграммы, вольтамперные характеристики (
ВАХ).
7 Выводы по результатам лабораторной работы.

Лабораторное оборудование

Интерфейсный модуль UniTrain-I (рисунок 1) является 
центральным устройством системы UniTrain-I. Он содержит 
необходимые для проведения опытов входы и выходы, различные 
реле и измерительную технику, 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.

  

Рисунок 1 – 
Интерфейсный модуль
Рисунок 2 – 
Испытательный стенд

Интерфейсный модуль UniTrain-I предназначен для 
стыковки с одним или несколькими испытательными стендами 
UniTrain-I. Испытательные стенды UniTrain-I, имеющие 
инфракрасный порт (рисунок 2), генерируют постоянные и переменные 
напряжения для проведения экспериментов. Интерфейсный 
модуль UniTrain-I, испытательный стенд UniTrain-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), которые выглядят реалистично, 
поэтому элементы управления лабораторным оборудованием 
работают как в классической лаборатории. ВП 
могут поставляться с программным обеспечением LaBsoft (опционально) 
или с ВП-стартером (для случаев, когда виртуальные 
приборы используются вне LaBsoft).
При проведении лабораторных работ также используется 
цифровой мультиметр MetraHit (рисунок 3), позволяющий 
измерять напряжение, силу тока и ряд других параметров.

Рисунок 3 – Мультиметр MetraHit

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

Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАСКАДНЫХ 
УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ 
ТРАНЗИСТОРАХ
(4 часа)

Цель работы

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

Теоретическая часть

Основа усилителей напряжения – это каскады с общим 
эмиттером, усиливающие напряжение в десятки раз с коэффициентом 
KU.
 Однако для многих устройств промышленной электроники 
требуются значительно большие коэффициенты усиления 
по напряжению. В этих случаях часто используют 
многокаскадные усилители с резистивно-емкостной связью. 
На рисунке 1.1 приведена схема усилителя напряжения с ре-
зистивно-емкостной связью на биполярных транзисторах типа 
n-p-n. Усилитель состоит из двух 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.

Рисунок 1.1 – Схема двухкаскадного усилителя 
напряжения с резистивно-емкостной связью 
на биполярных транзисторах

Коэффициент усиления такого устройства зависит от частоты. 
На нижних частотах уменьшение коэффициента усиления 
происходит из-за конденсатора связи между каскадами. 
При понижении частоты сопротивление XC конденсатора связи 
возрастает, падение напряжения на нем увеличивается, а 
выходное напряжение uвых уменьшается, что приводит к снижению 
коэффициента усиления. На высоких частотах коэффициент 
усиления уменьшается из-за влияния емкости коллекторного 
перехода транзисторов.
Частотная характеристика двухкаскадного усилителя 
исследуется между частотами, допускающими уменьшение выходного 
напряжения на 0,707 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 (рисунок 1.2). 
На рисунке указаны следующие обозначения:
 - KU – коэффициент усиления по напряжению;

- KН – коэффициент усиления при нижней граничной 
частоте;
 - KВ – коэффициент усиления при верхней граничной 
частоте;
 - K0 – коэффициент усиления;
- н.гр – нижняя граничная частота;
- 0 – рабочая частота;
- в.гр – верхняя граничная частота.

Рисунок 1.2 – Амплитудно-частотная 
характеристика усилителя напряжения 
с резистивно-емкостной связью

В каждом усилительном каскаде применена температурная 
стабилизация, обеспечиваемая элементами RЭ и CЭ. 
Наличие этих элементов создает в каждом из каскадов отрицательную 
обратную связь.
Введение такой связи улучшает свойства усилителя: 
снижается уровень нелинейных искажений; расширяется полоса 
пропускания в сторону как низких, так и высоких частот, 
поскольку всякое изменение коэффициента усиления 
корректируется действием отрицательной обратной связи.
Снижение уровня нелинейных искажений можно объяснить 
так. 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 гармоники через звено обратной связи 
подаются на вход усилителя и появляются на его выходе усиленными. 
Полученные на выходе высшие гармоники вычитаются 
из выходного напряжения усилителя, так как благодаря 
действию отрицательной обратной связи они будут поступать 
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 
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 из них непосредственно связан со входом второго (
без конденсатора связи между каскадами).
Коэффициент 
усиления 
двухкаскадного 
усилителя 
в идеальном случае равен произведению коэффициентов усиления 
каждого каскада.

Оборудование для проведения работы 
и объекты исследования

Работа проводится на оборудовании UniTrain. В качестве 
исследуемой используется плата «Многокаскадные усилители» 
SO4203-7N (рисунок 1.3). Программным обеспечением 
является программа LaBsoft, посредством которой 
возможно установить необходимое напряжение на выводах 
установки, а также вывести измеряемые физические параметры 
на экран монитора (для этого используются виртуальные 
вольтметры и осциллограф). В работе также можно использовать 
отдельный измерительный прибор (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, что позволяет изучить 
различие между этими типами связей.