受控源特性研究

实验十　受控源特性研究

一、实验目的

1．测试受控源的外特性及其转移参数，加深对受控源的理解。

2．熟悉由运算放大器组成受控源电路的分析方法，了解运算放大器的应用。

二、实验内容

1．测量受控源VCVS的转移特性U₂＝f（U₁）及负载特性U₂＝f（I_L）。

2．测量受控源VCCS的转移特性I_L＝f（U₁）及负载特性I_L＝f（U₂）。

3．测量受控源CCVS的转移特性U₂＝f（I₁）及负载特性U₂＝f（I_L）。

4．测量受控源CCCS的转移特性I_L＝f（I₁）及负载特性I_L＝f（U₂）。

三、实验仪器与设备

四、实验原理

1．电源有独立电源（如电池、发电机等）与非独立电源（受控源）之分，独立源与受控源的区别是：独立源的电势或电流是某一个固定的值或某一时间的函数，它不与电路的其余部分的状态有关，是独立的；而受控源的电势或电流的值是电路的另一支路电压或电流的函数，是非独立的。

2．受控源是双口元件，两个端口一个为控制端口，另一个为受控端口。受控端口的电流或电压受到控制端口电流或电压的控制。根据控制变量与受控变量的不同组合，受控源可以分为四类：电压控制电压源（VCVS），其特性为U₂＝μU₁、I₁＝0；电压控制电流源（VCCS），其特性为I_S＝g_mU₁、I₁＝0；电流控制电压源（CCVS），其特性为U₂＝r_mI₁、U₁＝0；电流控制电流源（CCCS），其特性为I₂＝αI₁、U₁＝0。

3．用运算放大器与电阻元件组成不同的电路，可以实现上述四种类型的受控源。受控源的电压或电流受电路中其他电压或电流的控制，当这些控制电压或电流为零时，受控源的电压或电流也为零。因此，它反映的是电路中某处电压或电流控制另一处电压或电流这一现象，它本身不直接起激励作用。

4．运算放大器的“＋”端和“－”端之间等电位，通常称为“虚短”；运算放大器的输入端电流等于零，通常称为“虚断”。运算放大器的理想电路模型为一受控源，在它的外部接入不同的电路元件，可以实现信号的模拟运算或模拟变换。放大器电路的输入与输出有公共接地端，这种连接方式称为共地连接。电路的输入、输出无公共接地点的接地方式称为浮地连接。

5．用运放构成四种类型基本受控源的线路原理分析。

（1）电压控制电压源（VCVS）的电路如图4－35所示。

由于运放的虚短路特性，有U_p＝U_n＝U₁，故又因为i₁＝i₂，所以U₂＝i₁R₁＋i₂R₂＝i₂（R₁＋R₂）＝即运放的输出电压U₂只受输入电压的控制，与负载R_L大小无关，电路模型如图4－39（a）所示。

转移电压比其中μ为无量纲，又称为电压放大系数。

这里的输入输出有公共接地点。

（2）电压控制电流源（VCCS）将图4－36的R₁看成一个负载电阻R_L，如图4－36所示。运算放大器的输出电流即运放的输出电流i_L只受输入电压U₁的控制，与负载R_L大小无关。电路模型如图4－39（b）所示。

转移电导

这里的输入输出无公共接地点。

图4－35 VCVS

图4－36 VCCS

（3）电流控制电压源的电路如图4－37所示。

由于运放的“＋”端接地，所以U_p＝0，“－”端电压U_n也为零。此时运放的“－”端称为虚地点。显然，流过电阻R的电流i₁等于网络的输入电流I_S。

此时运放的输出电压U₂＝－i₁R＝－i_SR，即输出电压U₂只受输入电流i_S的控制，与负载R_L大小无关，电路模型如图4－39（c）所示。

转移电阻

（4）电流控制电流源的电路如图4－38所示。

即输出电流只受输入电流i_S的控制，与负载R_L大小无关。电路模型如图4－39（d）所示。

转移电流比为无量纲，又称电流放大系数。此电路为浮地联接。

图4－37　CCVS

图4－38　CCCS

图4－39　受控源电路符号

五、实验注意事项

1．实验中，注意运放的输出端不能与地短接；输入电压不宜过高，最好小于5V，不得超过10V；输入电流不能过大，应在几十微安至几毫安之间。

2．在用恒流源供电的实验中，不要使恒流源负载开路。

3．运算放大器应有电源供电（±15V或者±12V），其正负极性和管脚不能接错。

六、实验内容与步骤

1．测量受控源VCVS的转移特性U₂＝f（U₁）及负载特性U₂＝f（I_L）

实验线路如图4－40所示，U₁为可调直流稳压电源，R_L为元件箱模块可调电阻箱。运算放大器应有电源供电（±15V或者±12V），其正负极性和管脚不能接错。实验前，将固定直流电源部分的±12V、GND接入模块上方的±12V、GND插座。

（1）固定R_L＝2kΩ，调节直流稳压电源输出电压U₁，使其在0～4V范围内取值。测量U₁及相应的U₂值，绘制U₂＝f（U₁）曲线，并由其线性部分求出转移电压比u。测量值填入表4－31中。

表4－31　测量数据1

（2）保持U₁＝5V，令R_L阻值从1kΩ增至∞，测量U₂及I_L，绘制U₂＝f（I₁）曲线。测量值填入表4－32中。

表4－32　测量数据2

2．测量受控源VCCS的转移特性I_L＝f（U₁）及负载特性I_L＝f（U₂）

实验线路如图4－41所示。

图4－40　VCVS

图4－41　VCCS

（1）固定R_L＝5kΩ，调节直流稳压源输出电压U₁，使其在0～5V范围内取值。测量U₁及相应的I_L，绘制I_L＝f（U₁）曲线，并由其线性部分求出转移电导g_m。测量值填入表4－33中。

表4－33　测量数据3

（2）保持U₁＝2V，令R_L从0增至3kΩ。测量相应的I_L及U₂，绘制I_L＝f（U₂）曲线。测量值填入表4－34中。

表4－34　测量数据4

3．测量受控源CCVS的转移特性U₂＝f（I₁）及负载特性U₂＝f（I_L）

实验线路如图4－42所示。I₁为可调直流恒流源，R_L为可调电阻箱。

图4－42　CCVS

（1）固定R_L＝2K，调节直流恒流源输出电流I₁，使其在0～0．8mA范围内取值。测量I₁及相应的U₂值，绘制U₂＝f（I₁）曲线，并由其线性部分求出转移电阻r_m。测量值填入表4－35中。

表4－35　测量数据5

（2）保持I₁＝0．3mA，令R_L从1kΩ增至∞。测量U₂及相应I_L值，绘制U₂及I_L值，绘制负载特性曲线U₂＝f（I_L）。测量值填入表4－36中。

表4－36　测量数据6

图4－43　CCCS

4．测量受控源CCCS的转移特性I_L＝f（I₁）及负载特性I_L＝f（U₂）

实验线路如图4－43所示，I₁为可调直流恒流源，R_L为可调电阻箱。

（1）固定R_L＝2kΩ，调节直流恒流源输出电流I₁，使其在0～0．8mA范围内取值。测量I₁及相应的I_L值，绘制I_L＝f（I₁）曲线，并由其线性部分求出转移电流比α。测量值填入表4－37中。

表4－37　测量数据7

（2）保持I₁＝0．3mA，令R_L从0增至10kΩ。测量I_L及U₂值，绘制负载特性曲线I_L＝f（U₂）曲线。测量值填入表4－38中。

表4－38　测量数据8

七、实验报告要求

1．简述实验原理、实验目的，画出各实验电路图，整理实验数据。

2．用所测数据计算各种受控源系数，并与理论值进行比较，分析误差原因。

3．回答实验思考题。

4．总结运算放大器的特点以及自己对实验的体会。

八、实验思考题

1．受控源与独立源相比有何异同点。

2．试比较四种受控源的代号、电路模型、控制量与被控制量之间的关系。

3．受控源的u、g_m、r_m和α的意义是什么？如何测得？

4．若令受控源的控制量极性反向，试问其输出量极性是否发生变化？

5．在测试四种受控源特性时，是否出现转移特性或输出特性与理论值不符的现象？请给予解释。