受控源实验的研究探索

【实验目的】

(1)练习并掌握电路转移特性的测量方法。

(2)通过测试,加深对受控源特性的认识。

(3)初步认识和使用运算放大器,了解运算放大器组成受控源的方法。

【实验任务】

1.电压控制电压源的测试

用运算放大器LM358组成如图7.3.1所示电压控制电压源(VCVS)电路,LM358的电源电压为+15 V。

(1)保持控制电压U1为2 V,在1 kΩ到无穷大的范围内改变负载电阻RL的值,测试不同RL时电路的输出电压U2。

(2)保持RL=2 kΩ不变,测试该VCVS电路的转移特性(控制电压U1的变化范围为0～5 V),绘制转移特性曲线,求出转移电压比μ的值。

2.电流控制电压源的测试

用运算放大器LM358组成如图7.3.2所示电流控制电压源(CCVS)电路,LM358的电源电压为+15 V。

图7.3.1　运放构成的VCVS电路

图7.3.2　运放构成的CCVS电路

(1)保持控制电流I1为0.5 m A,在1 kΩ到无穷大的范围内改变负载电阻RL的值,测试不同RL时电路的输出电压U2。

(2)保持RL=2 kΩ不变,测试该CCVS电路的转移特性(通过调节Us改变控制电流I1,I1变化范围为0～0.5 m A),绘制转移特性曲线,求出转移电阻rm的值。

3.电压控制电流源的测试

用运算放大器LM358组成如图7.3.3所示电压控制电流源(VCCS)电路,LM358的电源电压为+15 V。

(1)保持控制电压U1为2 V,在1～20 kΩ的范围内改变负载电阻RL的值,测试不同RL时该电路的输出电流I2。

(2)保持RL=2 kΩ不变,测试该VCCS电路的转移特性(控制电压U1的变化范围为0～10 V),绘制转移特性曲线,求出转移电导gm的值。

4.电流控制电流源的测试

用运算放大器LM358组成如图7.3.4所示电流控制电流源(CCCS)电路,LM358的电源电压为+15 V。

图7.3.3　运放构成的VCCS电路

图7.3.4　运放构成的CCCS电路

(1)保持控制电流I1为0.5 m A,在1～8 kΩ的范围内改变负载电阻RL的值,测试不同RL时该电路的输出电流I2。

(2)保持RL=2 kΩ不变,测试该CCCS电路的转移特性(通过调节Us改变控制电流I1,I1的变化范围为0～0.5 m A),绘制转移特性曲线,求出转移电流比α的值。

【实验预习】

(1)阅读第1章有关“集成电路”的内容,了解集成电路的相关知识。

(2)结合本实验的【相关知识】部分,复习受控源的相关内容。

(3)查阅集成运放LM358的数据手册,了解其使用方法和注意事项。

(4)设计实验方案并拟订实验具体操作步骤,设计实验数据表格,列出实验操作注意事项。

(5)在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

在图7.3.2的CCVS电路和图7.3.4的CCCS电路中,如果改变Us的接法使控制电流I1与图中所标方向相反,将会引起电路怎样的变化?

【报告撰写】(www.xing528.com)

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①分析测量任务1(1)、2(1)、3(1)、4(1)的测量结果,分别可以得到什么结论?

②对测得的四条转移特性曲线进行分析,总结对四种受控源的认识和理解。

③本次实验所用受控源电路的控制特性是否适合于交流信号?

④有一个CCVS和一个VCCS电路,如何得到VCVS和CCCS电路?

【相关知识】

1.受控源及其类型

电源有独立源(如电池、发电机等)与非独立电源两类。非独立电源又常被称为受控源,它的电动势Es或电激流Is随电路中另一支路的电压或电流的变化而改变。而独立源的电动势或电激流是某一固定的数值或是时间的某一函数,它不随电路其余部分的变化而改变。

受控源与无源元件相比较,无源元件两端的电压和它自身的电流有一定的函数关系,而受控源的输出电压或电流则是和另一支路(或元件)的电流或电压有关系。从总体外部特征上看,独立源和无源元件都是二端器件,而受控源则是四端器件,或称为双口元件。

受控源都有一个输入端口(两个接线端子),用于输入电压控制信号U1或电流控制信号I1;还有一个输出端口(两个接线端子)输出电压U2或电流I2。输入端可以控制输出端电压或电流的大小。因为施加于受控源输入端的控制量有电压和电流的分别,而电源又有电压源和电流源的分别,所以受控源可分为电压控制电压源(VCVS)、电流控制电压源(CCVS)、电压控制电流源(VCCS)、和电流控制电流源(CCCS)四种类型,如图7.3.5所示。

图7.3.5　受控源类型

2.受控源的转移函数

受控源的控制端与受控端的关系式称为转移函数。四种受控源的转移函数参量的定义如下:

(1)电压控制电压源(VCVS):U2=f(U1),μ=U2/U1称为转移电压比(或电压增益),为无量纲常数。

(2)电流控制电压源(CCVS):U2=f(I1),rm=U2/I1称为转移电阻,具有电阻的量纲(欧姆,Ω)。

(3)电压控制电流源(VCCS):I2=f(U1),gm=I2/U1称为转移电导,具有电导的量纲(西门子,S)。

(4)电流控制电流源(CCCS):I2=f(I1),α=I2/I1称为转移电流比(或电流增益),为无量纲常数。

当受控源的输出电压或电流与控制电压或电流成正比时,则称该受控源是线性的。理想受控源的控制支路中只有一个独立变量(电压或电流),另一个独立变量等于零,即从输入口看,理想受控源或者是短路(即输入电阻R1=0,因而U1=0)或者是开路(即输入电导G1=0,因而输入电流I1=0);从输出口看,理想受控源或是一个理想电压源或者是一个理想电流源。

3.集成运算放大器

集成运算放大器简称集成运放或运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。集成运放内部主要由输入、中间、输出三部分电路组成,输入部分是差动放大电路,有同相和反相两个输入端,同相输入端的电压变化和输出端的电压变化方向一致,后者则相反;中间部分提供高电压放大倍数;输出部分则进行功率的放大。由于集成运放性能良好、使用方便,因此得到了广泛的应用。目前集成运放已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。

以通用为目的而设计的集成运放被称为通用集成运放,这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大且面广,其性能指标能适合于一般性使用,如单运放μA741(一块μA741芯片内只有一个运放单元)、双运放LM358(一块LM358芯片内有两个参数一致、互相独立的运放单元)、四运放LM324(一块LM324芯片内有四个参数一致、互相独立的运放单元)等,它们DIP封装形式的外观如图7.3.6所示,而管脚信息如图7.3.7所示。通用运放是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

图7.3.6　DIP封装的集成运算放大器外观

集成运放广泛应用于模拟信号的产生和处理。例如,组成各种振荡电路、放大电路、运算电路等。

4.集成运算放大器使用注意事项

包括集成运算放大器在内的集成电路,在使用前应查阅器件手册,了解其引脚、功能、动态指标、静态指标等性能和参数。使用集成电路时,应该注意以下几个问题:

(1)集成电路在安装时,应注意其方向及引脚序号,不能插错。

图7.3.7　几种运放的管脚图

(2)集成电路在安装或拆除时,应断开电源,否则容易损坏集成电路。

(3)使用集成电路时,不允许超过数据手册中规定的极限参数数值。

初学者应特别注意集成运放供电电源的连接方法和电压范围,电源连接错误或电压超过规定范围,极易导致器件的损坏。