close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ШПОРЫ (3)

код для вставкиСкачать
1. Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. К аналоговым относятся электрические сигналы (ток, напряжение), непрерывно изменяющиеся во времени, значения которых в каждый момент времени однозначны (известны или могут быть измерены). В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа. Соответственно все электронные устройства можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. Преимущества аналоговых устройств - сравнительная простота, надежность и быстродействие - обеспечили им самое широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов. При изучении АЭУ основное внимание следует уделить анализу работы усилительных устройств различного назначения и возможности создания на их базе АЭУ, выполняющих отдельные функции по обработке сигналов. Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы.
Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме, более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности. Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и т.д. На их основе строятся почти все другие аналоговые электронные устройства обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи (ОС).
2. Коэффициентом усиления или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала к входному. В зависимости от характера входной и выходной величин различают: коэффициент усиления по напряжению , коэффициент усиления по току , коэффициент усиления по мощности . Входное сопротивление ZВХ усилителя или другого устройства - это внутреннее сопротивление между его входными зажимами. Входное сопротивление усилителя определяется выражением .Выходное сопротивление ZВЫХ усилителя - это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки ZН: .
Комплексный коэффициент усиления по напряжению . Его модуль К называется коэффициентом усиления. Зависимость К от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (кратко-частотной) характеристикой (АЧХ) усилителя.
Здесь по горизонтали отложена угловая частота . Вместо можно откладывать частоту f.
Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Типичными для АЧХ является наличие так называемой области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначается К0. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления.
Зависимость от частоты фазового сдвига , вносимого усилителем, называется фазочастотной (кратко-фазовой) характеристикой (рис. 1.2,б). На практике ФЧХ используются реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов. В связи со слабой чувствительностью уха к фазовым искажениям к ФЧХ УЗЧ не предъявляют жестких требований за исключением линейности ФЧХ в пределах полосы пропускания.Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют.
Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход небольшого перепада напряжения (мгновенного скачка напряжения), не вызывающего перегрузку усилителя. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Относительная величина выброса обозначается и выражается в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором усилителя не зависит от числа его каскадов. Спад верхней части нормированной ПХ в заданный момент времени обозначается через . Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, а именно временной. В отличие от него, оценку показателей с помощью АЧХ и ФЧХ называют частотным методом.
ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении. Нелинейные искажения - это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения.
Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя характеризует экономичность расходования энергии питания. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания:
;Разность . является мощностью потерь в усилителе.
Амплитудной характеристикой ( АХ ) - усилителя называется зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного синусоидального напряжения (рис. 1.4.). Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления К.
Динамическим диапазоном Д усилителя называется отношение наибольшего выходного (или входного) напряжения усилителя к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:
;Обычно он выражается в децибелах Д, дБ = 20 lgД и составляет 40..60 дБ.
3. 4. Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному то есть с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача - цепью обратной связи. Обратная связь может быть специально организованной или возникшей помимо желания разработчика. В последнем случае ее называют паразитной. В зависимости от структуры усилительного тракта ОС может, как увеличивать коэффициент усиления тракта по напряжению, так и уменьшать его.
Обратную связь, увеличивающую коэффициент передачи по напряжению, принято называть положительной обратной связью (ПОС), а ту, которая понижает его - отрицательной обратной связью (ООС). В усилительной технике в основном применяют ООС. При ее применении за счет некоторого ухудшения усилительных свойств повышаются стабильность и определённость этих свойств, частотных и переходных искажений.
Структуру усилительного тракта, охваченного цепью (ОС), можно представить в виде рис. 4.1..
В состав этой структуры входят: основной усилительный тракт К3.4, основное звено цепи ОС К5.6 и два шестиполюсника I и II. В шестиполюснике II происходит ответвление части выходного сигнала в основное звено цепи ОС, а в шестиполюснике I - объединение (смешивание) входного сигнала с сигналом, поступающим с выхода основного звена цепи ОС. Считается, что шестиполюсники I, II и четырехполюсник К5.6 являются пассивными цепями, то есть цепями, организованными на базе R, C и L-элементов. В структуре усилительного тракта с ОС образуется замкнутый (кольцевой) путь, называемый петлей ОС.
5.
6. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилительного тракта
При охвате усилительного тракта однопетлевой ОС (замыкании петли) основные параметры и характеристики тракта изменяются. Связь измененных значений параметров (они будут отмечаться индексом "f") с рассмотренными исходными определяется соотношениями.
К1.2 f = K1.2/[1±T1.1' (0)]+k1.2 ; (4.2.a)
К1.2 i f = K1.2 i /[1±T1.1' (∞)]+k1.2 i ; (4.2.б)
ZВХ f = ZВХ [1±T1.1' (0)]/[1±Т1.1' (∞)]; (4.2.в)
ZВЫХ f =ZВЫХ [1±T2.2' (0)]/[1±Т2.2' (∞)]. (4.2.в)
Где K1.2 = uВЫХ/uВХ - коэффициент передачи тракта при разомкнутой петле ОС (в схеме рис. 4.5.). Знак "+" перед петлевыми передачами Т в (4.2) относится к обратной связи, организованной как ООС, знак "-" - организованной как ПОС. При составлении соотношений (4.2) учтено, что в общем случае входящие в него параметры могут иметь комплексный характер.
Соотношение (4.2) применимы по отношению к любой паре зажимов усилительной схемы с однополевой ОС. Влияние обратной связи на ход амплитудно-частотной характеристики
Обратная связь, организованная по типу отрицательной, улучшает частотные свойства широкополосных усилителей, уменьшая частотную зависимость коэффициента усиления. Следствием частотной зависимости модулей глубины ОС и соответствующей ей петлевой передачи является непостоянство относительных уменьшений значений ординат АЧХ и нормированной АЧХ, вызываемых введением ООС, а именно:
; (4.5)
где К( f ), Кf ( f ) - АЧХ усилительного тракта при отсутствии ООС и ее наличии глубиной 1+Т0;
M( f ), Mf ( f ) - нормированная АЧХ усилительного тракта при отсутствии ООС и ее наличии;
Т0 - петлевая передача на номинальной частоте f0;
MT ( f ) - нормированная АЧХ петлевой передачи.
Графики рис. 4.7. иллюстрируют рассмотренное влияние ОС на ход АЧХ широкополосного усилителя.
7. Главным источником нестабильности передаточных свойств усилительного тракта является непостоянство коэффициента усиления его основного усилительного звена К3.4, в этом звене сосредоточены транзисторные каскады, которые больше всего подвержены воздействию дестабилизирующих факторов. Чувствительность усилительного тракта к воздействию дестабилизирующих факторов может быть уменьшена за счет его охвата петлей ООС. При данном уровне воздействия дестабилизирующих факторов относительные изменения ΔК f /Кf коэффициента усиления в схеме с ООС меньше соответствующих изменений ΔК/К в схеме без ОС в F раз, а абсолютные - в F 2, т.е. ΔК f = ΔК/F 2, где F - глубина ОС. Будем полагать, что коэффициенты передачи всех входящих в структуру рис. 4.1 (шп. 4). звеньев по отношению к воздействию дестабилизирующих факторов являются постоянными, за исключением звена К3.4. При этом в условиях ООС (на основании (4.2.)) можно записать:
(4.3)
Где α и ß в рамках сделанных допущений являются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня воздействия дестабилизирующих факторов. Для схемы рис. 4.1 (шп. 4).
α = К1.3 · К4.2, а ß = К5.6 · К6.3 · К4.5.
Механизм стабилизирующего влияния ООС - при изменениях коэффициента усиления αК3.4, стоящего в числителе дроби в (4.3), происходят аналогичные изменения петлевой передачи ßК3.4 в ее знаменателе, в результате чего относительные изменения коэффициента усиления К1.2 f оказываются меньше соответствующих изменений коэффициента усиления К1.2. При высоком значении петлевой передачи ßК3.4, когда она существенно больше единицы, изменениями коэффициента К1.2 f вообще можно пренебречь. Из этого следует, что изменения коэффициента К3.4 сопровождаются изменениями глубины ООС F = 1+ ßК3.4. Вследствие этого результат воздействия ОС на коэффициент усиления оказывается различным в различных условиях. Он больше в тех случаях и условиях, когда коэффициент усиления К3.4 имеет увеличенные значения и меньше там, где этот коэффициент меньше. В схемах с глубокими ООС т.е. в условиях, когда Т >>1, коэффициент передачи К1.2 усилительного тракта практически не зависит от основного его усилительного звена К3.4 и определяется передаточными свойствами пассивных звеньев петли ОС.
Так, согласно (4.3) в условиях, когда ßК3.4 >>1, имеем
При α = 1 и k1.2 = 0 в условиях глубокой ООС в схеме рис. 4.3. К1.2 f = 1/ß (4.4)
где ß = К5.6 · К6.3 · К4.5
Схема с глубокими ООС широко используются в устройствах преобразования аналоговых сигналов, создаваемых на базе операционных усилителей. В устройствах этого вида глубокая ООС осуществляется не только на переменном, но и на постоянном токе.
8. Большинство активных элементов имеют по три основных электрода: эмитирующий, управляющий и собирающий. Для биполярного транзистора такими электродами являются эмиттер, база и коллектор. При включении такого активного элемента в схему четырёхполюсника один из его электродов оказывается общим для входной и выходной цепи. Названием этого электрода, являющегося общим для входа и выхода, определяется схема включения активного элемента. Среди шести возможных схем включения (число перестановок из трёх по два) только три обладают усилительными свойствами. Применительно к биполярному транзистору различают схему с общим эмиттером 3.1 (вход-база и эмиттер, выход-коллектор и эмиттер), схему с общей базой 3.7 (вход-эмиттер и база, выход-коллектор и база) и схему с общим коллектором 3.11 (вход-база и коллектор, выход-эмиттер и коллектор). Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером равен отношению
выходного напряжения u2= uKE к входному u1= uБЭ
Коэффициент усиления по току, определяемый как отношение коллекторного тока к току базы
Входное сопротивление схемы, определяемое как отношение входного
Напряжения uБЭ к входному току iБ
Для всего большого количества разнообразных полевых транзисторов
(ПТ) характерно наличие трёх основных электродов, сопоставимых с соответ-ствующими электродами биполярного транзистора(исток-эмиттер, затвор-база, сток-коллектор). Различают ПТ с каналомn-типа и р-типа. Включение полевого транзистора по схеме с общим затвором
Включение полевого транзистора по схеме с общим стоком
10.
Частотные свойства схемы с общим коллектором можно проанализиро-вать с помощью эквивалентной схемы(рис. 3.13).
Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком
Включение полевого транзистора по схеме с общим затвором
!ВОЗМОЖНО ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА!
Включение полевого транзистора по схеме с общим стоком
!ВОЗМОЖНО ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА!
11. Дифференциальный усилитель (ДУ) как базовый АЭ схемотехники. Принцип действия, назначение генератора стабильного тока (ГСТ), свойства, малосигнальные параметры и характерные режимы работы.+*
Дифференциальный усилитель - это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку.
Дифференциальный усилитель, у которого указанные условия выполняются, называется идеальным дифференциальным усилителем. Один из входов ДК называется неинвертирующим (или прямым), другой - инвертирующим. Усиление сигнала, поступающего на неинвертирующий вход, происходит без изменения знака (без изменения фазы), а поданного на инвертирующий вход - с изменением (инверсией) знака на противоположный. В дальнейшем параметры, характеризующие свойства ДК по неинвертирующему входу, будем отмечать индексом "+", по инвертирующему - "-". На схемах зажим, соответствующий инвертирующему входу, отмечается символом инверсии (рис.6.1).
Выходной эффект ДК определяется наложением (суперпозицией) результатов усиления сигналов, воздействующих на оба входа, то есть
, (6.1)
где - коэффициенты передачи ДК относительно неинвертирующего и инвертирующего входов. ДК - диф. Каскад.
Во входном сигнале ДК различают дифференциальную (разностную) и синфазную (парафазную) составляющие:
; (6.2)
Дифференциальная составляющая характеризует различие (ассиметрию) сигналов и , а синфазная - степень их совпадения (симметрии).
Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока при относительно невысоких напряжениях источника питания . В то же время она является высокоомным источником постоянного тока, т.е. двухполюсником, в котором ток не зависит от приложенных к нему потенциалов, в том числе и от потенциала эмиттеров транзисторов и в схеме рис. 6.3.
Недостатком ДК, выполненного по простейшей схеме рис. 6.3. является низкое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Повышение значений этого коэффициента может быть достигнуто согласно (6.6) за счет увеличения сопротивления резистора . Но непосредственно увеличение сопротивления резистора в схеме рис. 6.3. вызывает уменьшение коллекторных токов и соответственно ухудшение согласно (6.5) усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).
На рис. 6.4. приведены типовые схемные конфигурации, предназначенные к использованию в качестве схем ГСТ в ДК типа рис. 6.3. и ему подобных
Считается, что транзистор работает в малосигнальном или линейном режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нём сигнальных составляющих выходных токов IВЫХ и напряжений UВЫХ по сравнению с их значениями IВЫХ 0 и UВЫХ 0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току и напряжению при этом
, ,
где IВЫХ, UВЫХ - наибольшие отклонения выходного тока и потенциала от их значений IВЫХ 0 и UВЫХ 0 в ИРТ.
Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2 ... 0,3.
Существует ряд систем параметров. Дальнейшее рассмотрение будем осуществлять в основном на базе системы Y-параметров. В этой системе параметры имеют размерность проводимости, а зависимость токов транзистора от приложенных к нему напряжений определяется системой уравнений
где, , , - комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений;
- комплексная входная проводимость при коротком замыкании на выходе;
- комплексная взаимная проводимость при коротком замыкании на входе; - комплексная взаимная проводимость при коротком замыкании на выходе;
- комплексная выходная проводимость при коротком замыкании на входе.
12.Нормирование характеристик коллекторных и стоковых токов. Определение ширины активной области. Режим и порог ограничения сигналов. Нормирование характеристик крутизны ДУ на БТ и ПТ и их аппроксимация. Параметры статических ошибок. Оценка и сопоставление нелинейных искажений в ДУ на БТ и ПТ, а также их сравнение с искажениями в каскадах ОЭ и ОИ. Статические и динамические нагрузочные характеристики АЭ и их использование в аналоговой схемотехнике. Режимы А, В, С и D. Основные энергетические показатели и диаграммы мощности режимов.
13Способы задания рабочей точки (РТ). В усилительном каскаде при отсутствии входного сигнала устанавливаются постоянные значения токов и напряжений, которые определяют статический режим работы (режим по постоянному току или режим покоя) транзистора. Значения постоянных токов и напряжений определяются напряжениями источника (источников) питания и сопротивлениями нагрузок во входной и выходной цепях активного элемента. Соответствующая режиму покоя точка на ВАХ транзистора называется рабочей точкой. Положение рабочей точки выбирается исходя из требуемого режима работы активного элемента.
Режим класса А. В данном режиме ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается таким образом, что амплитуда переменной составляющей выходного тока Iк max, появившегося в результате входного сигнала, не превышает ток покоя (рис. 1.4). Рабочая точка на выходной характеристике для резистивного усилителя определяется половиной напряжения питания:
.
Режим класса В. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что входной ток покоя равен нулю (рис. 1.5). При этом входной и выходной токи имеют форму импульса с углом отсечки 90°.
В режиме АВ рабочую точку выбирают примерно на середине начального криволинейного участка ВАХ (передаточной) транзистора (рис. 1.8.).
14. Нестабилизированные цепи питания БТ: источники дрейфа параметров и эквивалентная схема замещения по дрейфу. Стабилизация РТ с помощью ООС. Питание базы - это подача в цепь базы БТ напряжения и тока смещения и для задания требуемого режима работы БТ, то есть требуемого положения точки покоя на проходной или сквозной динамической характеристике БТ и, следовательно, требуемого значения постоянного тока коллектора .
Простейшая схема каскада на биполярном транзисторе (рис. 1.5,а) содержит транзистор VT и резистор RК, включенный в цепь коллектора последовательно с источником питания EП.
15.Анализ эмитторной и коллекторной стабилизации положения РТ. Параметрическая стабилизация.
Схема каскада с эмиттерной стабилизацией (рис. 3.34) получила наибольшее распространение в усилительной технике. Высокая стабильность рабочей точки в данном случае достигается благодаря наличию в схеме последовательной отрицательной обратной связи по постоянному току. Эта ОС создается за счет сопротивления RЭ. Ток эмиттера протекает по RЭ и создает на нем падение напряжения URЭ, которое через резисторы RБ1 и RБ2 подается на базу транзистора. Внутреннее сопротивление источника питания Е0 значительно меньше, чем сопротивление RБ1, и им можно пренебречь. В результате сопротивления RБ1 и RБ2 оказываются включенными параллельно между базой транзистора и землей. При увеличении температуры эмиттерный ток транзистора возрастает и на сопротивлении RЭ появляется при-
ращение напряжения ΔUЭ. Это приращение напряжения приложено плюсом непосред-
ственно к эмиттеру, а минусом - через RБ = RБ1||RБ2 к базе транзистора и таким образом
подзапирает его. Под влиянием запирающего напряжения приращение тока эмиттера уменьшается, и ток через транзистор стремится вернуться к своему прежнему значению.
Схема транзисторного каскада с коллекторной стабилизацией представлена на рис. 3.37. Схема очень простая и отличается от схемы с фиксированным током базы (см. рис. 3.29, а) точкой подключения резистора RБ. Благодаря такому включению сопротивления RБ в схеме появляется отрицательная обратная связь по напряжению, параллельная по входу, стабилизирующая рабочую точку.
С ростом температуры ток эмиттера увеличивается, растет падение напряжения на сопротивлении RК, базовый ток уменьшается, и рабочая точка стремится вернуться к своему прежнему состоянию.
16. Цепи питания ПТ. +
Обилие различных типов полевых транзисторов приводит к большому разнообразию сочетаний полярностей напряжений, прикладываемых между затвором и истоком и между стоком и истоком. Эти сочетания определяютсятипом канала транзистора (n-тип, р-тип) и способом его активизации (встроенный канал, индуцированный канал). Как следует из характеристик, представленных на рис. 3.16, полярность напряжения на затворе может отличаться от полярности напряжения на стоке или совпадать с ней. Однако идеи подачи напряжения смещения на затвор остаются одинаковыми для всех типов полевых транзисторов.
Подача смещения может осуществляться от отдельного источника (рис. 3.40, а) или автоматически (рис. 3.40, б - в). Схема на рис. 3.40, а используется крайне редко, так как применение дополнительного источника питания E0З существенно усложняет устройство усилителя. Принцип действия 120 схем (см. рис. 3.40, б, в) не отличается от принципа действия схемы эмиттерной стабилизации. В этих схемах за счет сопротивлений RИ создается отрицательная обратная связь по постоянному и переменному токам, последовательная по входу. Отрицательная обратная связь по постоянному току, как и в случае эмиттерной стабилизации, стабилизирует положение рабочей точки каскада на полевом транзисторе. Отрицательная обратная связь по переменному току уменьшает коэффициент усиления каскада. Для устранения ООС по перемен ной составляющей резистор в цепи истока RИ шунтируют конденсатором достаточно большой емкости СИ.
17. Использование ГСТ для задания режимов работы АЭ.+
Недостатком ДК, выполненного по простейшей схеме рис. 6.3. является низкое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Повышение значений этого коэффициента может быть достигнуто согласно (6.6) за счет увеличения сопротивления резистора . Но непосредственно увеличение сопротивления резистора в схеме рис. 6.3. вызывает уменьшение коллекторных токов и соответственно ухудшение согласно (6.5) усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).
Схема ГСТ способна создавать требуемые значения тока при относительно невысоких напряжениях источника питания . В то же время она является высокоомным источником постоянного тока, т.е. двухполюсником, в котором ток не зависит от приложенных к нему потенциалов, в том числе и от потенциала эмиттеров транзисторов и в схеме рис. 6.3..
На рис. 6.4. приведены типовые схемные конфигурации, предназначенные к использованию в качестве схем ГСТ в ДК типа рис. 6.3. и ему подобных Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определенное и стабильное значение выходного тока и высокоомное сопротивление , является выходная цепь транзистора , включенного по схеме ОЭ f (рис. 6.4,а) или ОИ f (рис. 6.4,б). При организации схемы ГСТ следует учитывать возможные влияния паразитных проводимостей транзисторов (проводимости база-коллектор в ГСТ на биполярном транзисторе и сток-исток в схемах на полевых). Наиболее существенное влияние на работу ГСТ могут оказать емкостные составляющие этих проводимостей, обратная связь через которые может существенно снизить выходной импеданс ГСТ, особенно на высоких частотах.
20.Широкополосные усилители (ШУ) с коррекцией АЧХ и ПХ. Методы коррекции характеристик (низкочастотные и высокочастотные).*
Под коррекцией частотных характеристик понимают действия направленные на придание им специальной формы. Это могут быть в первую очередь действия, направленные на расширение частотной характеристики в область верхних и нижних частот. В других случаях на частотной
характеристике приходится искусственно создавать подъем или спад с заданной крутизной в определенной области частот. Необходимые изменения частотной характеристики могут достигаться двумя способами: введением частотно-зависимой обратной связи или использованием частотно-зависимой нагрузки. Эмиттерная (истоковая) высокочастотная коррекция направлена на расширение частотной характеристики в область верхних частот и
осуществляется за счет частотно-зависимой отрицательной обратной связи по току, последовательной по входу, создаваемой сопротивлением в цепи эмиттера RЭ (истока RИ) и подключенной параллельно ему сравнительно небольшой емкостью СЭ (СИ). Параллельная, последовательная и сложная высокочастотная коррекции также направлены на расширение частотной характеристики, но используют для этого частотные свойства нагрузки. Усилители, для которых выполняется неравенство fВ/fН > 1, называются широкополосными.
Действие низкочастотной коррекции В этой схеме для коррекции частотной характеристики используется частотно-зависимая нагрузка, состоящая из элементов в цепи стока R2, R4, C2. На рис. 4.24 представлена эквивалентная схема выходной цепи каскада для области низких частот. Принцип действия низкочастотной коррекции заключается в том, что при снижении частоты сопротивление емкости С2 возрастает и увеличивается сопротивление нагрузки между клеммами 1 - 1. В результате напряжение u′2 растет, следовательно, растет u2 и увеличивается коэффициент усиления. Таким образом, спад частотной характеристики, вызываемый влиянием емкости С3, компенсируется ростом коэффициента передачи от входа к клеммам 1 - 1. При
этом, чем больше сопротивление R4, тем сильнее действие коррекции. Величина емкости конденсатора С2 влияет на область частот, в которой проявляется действие коррекции. Работа высокочастотной индуктивной коррекции основана на применении частотно-зависимой нагрузки, в качестве которой используется в простейшем случае колебательный контур, образованный индуктивностью, сопротивлением нагрузки и емкостью, шунтирующей нагрузку. В транзисторном резисторном каскаде простая высокочастотная индуктивная коррекция осуществляется за счет включения малой индуктивности последовательно с сопротивлением в цепи коллектора. Из-за малой величины эта индуктивность не оказывает никакого влияния на частотную характеристику в области низких и средних частот. Поэтому эквивалентные схемы каскада с простой индуктивной коррекцией для области нижних и средних частот не отличаются от аналогичныхсхем обычного резисторного каскада. На рис. 4.21, а представлена принципиальная схема транзисторного каскада с высокочастотной индуктивной параллельной коррекцией.
21. Для каскадов предварительного усиления основная задача - получение большого коэффициента усиления и максимального выходного напряжения. Для этого необходимо увеличивать сопротивление нагрузки и напряжение питания, но часто такие действия оказываются невозможными. Напряжение питания, как правило, бывает задано и его изменение возможно только в сторону уменьшения. Поэтому увеличивают выходное напряжение, если применить в каскаде динамическую нагрузку, т.е. под воздействием сигнала менять в нужном направлении положение рабочей точки.
Для обычного резисторного каскада нагрузочная прямая по переменному току проходит через рабочую точку 1. Если при положительной полуволне тока базы рабочую точку сдвинуть в положение 2, а при отрицательной - в точку 3, то амплитуда выходного напряжения UКM2 увеличится. На практике получение такого эффекта достигается с помощью специальных схем. (см. рис.)
При указанной полярности сигнала ток коллектора VT1 увеличивается, одновременно растет падение напряжения на R3, которое через конденсатор С2 воздействует на базу транзистора VT2 и пытается его запереть.
Сопротивление транзистора VT2 возрастает, и нагрузочная прямая по постоянному току для транзистора VT1 становится более пологой. Рабочая точка, а вместе с ней и нагрузочная прямая по переменному току сдвигаются в положение 2, и напряжение на коллекторе VT1 становится минимальным. В следующие полпериода ток через VT1 уменьшается, транзистор VT2 приоткрывается, и нагрузочная прямая сдвигается к точке 3. В результате переменное напряжение на коллекторе VT2 растет и достигает величины Uкmax.
22. Применение каскодной схемы позволяет устранить трудности со связью каскада с общей базой с источником сигнала и придает усилителю ряд новых положительных качеств. На рис. представлен усилитель с последовательным питанием транзисторов. Как видно из рисунка, каскодная схема является двухкаскадным усилителем. В первом каскаде транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а во втором - по схеме с общей базой. Для задания рабочей точки в обеих схемах используется обычная эмиттерная стабилизация.
Сигнал с выхода первого транзистора попадает на эмиттер второго. Так как входное сопротивление транзистора с общей базой очень мало, коэффициент усиления первого транзистора VT1 получается сравнительно небольшим, примерно равным единице, но зато его частотная характеристика значительно расширяется, приближаясь по ширине полосы пропускания к схеме с общей базой. Таким образом, полоса пропускания двухкаскадного усилителя стремится к полосе пропускания схемы с общей базой.
Коэффициент усиления каскодной схемы получается равным произведению крутизны первого каскада на нагрузку второго: К=U2/U1=.
Благодаря своей широкополосности и устойчивости каскодные схемы нашли большое применение в качестве входных каскадов телевизионных и радиоприемных устройств.
23. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью имеет вид: Кf=K/(1-Kn) = K/1-K, K=Uвых/Uвх.
Для анализа схемы заменим каскады с местными ОС, эквивалентными каскадами без ОС и будем полагать, что усилитель охвачен однопетлевой ОС. Такой каскадный усилитель будет хар-ться эквивалентными параметрами Zвх, Zвых, Кобщ.
Кос общ такого каскада равен: Кос общ = Кобщ*exp(jφ) / (1-Kобщ*exp[j (φ+)]).
Когда знаменатель дроби равен нулю, Кос общ ∞, это означает наличие выходного напряжения в отсутствие входного. В таком случае усилитель превращается в генератор. Происходит самовозбуждение усилителя или потеря его устойчивости. Условие, при котором усилитель теряет устойчивость: Кобщ*ос*exp([j (φ+)])=1.
Следовательно, чтобы усилитель с ОС работал устойчиво, необходимо соблюдение 2-х условий:
1.Если в определенном диапазоне частот петлевое усиление Кобщ*ос ≥ 1, то =≠0 или 2πn.
2.Если петлевое усиление < 1, то ==0 или 2πn.
Методы увеличения глубины ООС: а) использовать в петле ОС каскады с различными частотами среза; б) при введении обратной связи желательно охватывать по возможности меньшее число каскадов; в) желательно не включать в петлю ОС каскады, имеющие повышенные фазовые сдвиги; г) вводить в петлю ОС соответствующие цепи коррекции. 24. Паразитные обратные связи, также как и наводки, могут возникать за счет паразитных емкостей, существующих между входами и выходами как отдельных каскадов, так и всего усилителя в целом. Также возможность появления паразитной ОС объясняется наличием сильных электромагнитных полей, создаваемых оконечным каскадом и наводящих паразитные ЭДС во входных цепях усилителя.
Наиболее неприятной является емкостная связь. Возникновение такой паразитной обратной может существенно изменить многие параметры усилителя: входное сопротивление, частотные свойства, нелинейные искажения и т.д. Среди паразитных обратных связей особое место занимают паразитные связи через источник питания.
В низкочастотных усилителях наиболее существенной бывает паразитная обратная связь через общий источник питания, внутреннее сопротивление которого является общим нагрузочным сопротивлением всех каскадов усилителя.
При наличии в усилителе только двух каскадов эта связь обычно получается отрицательной и может приводить к небольшим изменениям частотной характеристики усилителя, главным образом в области нижних частот.
При трех и более каскадах обратная связь через источник питания может стать положительной и при достаточной ее глубине вызвать самовозбуждение усилителя. Для устранения этого явления используются низкочастотные фильтры RфCф, которые включаются в цепи питания и не позволяют переменному напряжению, возникающему на внутреннем сопротивлении источника питания, попадать во входные цепи усилителя.
25. Усилители с высоким входным сопротивлением. В основных схемах усилительных каскадов без принятия специальных мер биполярные транзисторы позволяют получать входное сопротивление порядка 1 кОм, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом- порядка 1 МОм, а полевые транзисторы с изолированным затвором - до десятков мегаом. Тщательным выбором типов усилительного прибора (с минимальными токами входного электрода), его режима и схемы подачи смещения на входной электрод удается повышать указанные значения на порядок. В среднем на два порядка увеличить входное сопротивление усилителя позволяет использование каскада-повторителя, который, однако, не дает усиления по напряжению. Дальнейшее повышение входного сопротивления достигается применением сдвоенных повторителей, в особенности в транзисторных устройствах. Помимо сдвоенных повторителей с одинаковыми усилительными приборами применяются комбинированные, состоящие из эмиттерного повторителя во втором каскаде и истокового или катодного повторителя в первом каскаде. Уменьшить коэффициент шума усилителей, в которых высокое входное сопротивление получается путем применения глубокой отрицательной обратной связи, можно заменой местной обратной связи петлей, охватывающей два или более каскадов с большим коэффициентом усиления.
Составные транзисторы -- это два последовательно соединённых транзистора в одном корпусе, включ. непосредственно между собой двумя электродами, где выходной электрод одного транзистора соединен со входным электродом 2-го. Составной электрод обычно имеет 3 электрода. Обычно это соединение выполнено таким образом, чтобы коэффициент передачи тока в схеме с ОБ приближался к 1.
26. Усилители постоянного тока -усилители, способные усиливать сигналы, нижняя частота которых может быть равной нулю. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Простейшим усилителем постоянного тока является обычный резисторный каскад без разделительных конденсаторов
Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля - отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.
С целью снижения дрейфа нуля в УПТ используются:
- использование дифференциальных усилителей,- глубокие ООС; - термокомпенсирующие элементы; - преобразование постоянного тока в переменный, его усиление и последующее детектирование; - построение УПТ по балансной схеме.
По принципу действия УПТ делят на два вида: усилители постоянного тока прямого действия и усилители постоянного тока с преобразованием.
Усилители постоянного тока находят широкое применение в электронной аппаратуре: в осциллографах, электронных стабилизаторах тока и напряжения, различных системах автоматического регулирования, операционных усилителях.
27. Для получения более высокой чувствительности усилители постоянного тока строят по принципу преобразования частоты. УПТ с преобразованием позволяют снизить дрейф нуля по сравнению с усилителями прямого действия еще на 2 - 3 порядка.
Усиливаемый сигнал Uвх с постоянной составляющей поступает на вход модулятора БМ. В балансном модуляторе входной сигнал перемножается с сигналом гетеродина Г. С выхода БМ модулированный сигнал U1 подается на вход избирательного усилителя переменного тока и усиливается до необходимой величины. После усиления высокочастотный модулированный сигнал U2 детектируется в демодуляторе. Благодаря использованию балансного модулятора и балансного детектора, управляемых одним и тем же напряжением гетеродина, удается сохранить на выходе фазу входного сигнала. Усиленный и продетектированный сигнал U3 поступает на фильтр низких частот, где устраняется высокочастотная составляющая, а затем в нагрузку.
Все усиление в этой схеме осуществляется на частоте гетеродина, поэтому дрейф нуля здесь определяется только дрейфом балансного модулятора. Достоинства: 1. Малый дрейф и высокая чувствительность к сигналу. 2. Низкая чувствительность к изменению температуры и напряжения питания. 3. Простота регулировки и введения цепи ОС, 4. Гальванически не связанные вход и выход. Недостатки: сложное построение схемы.
28. В схемах, содержащих нелинейные элементы, такие как транзисторы, диоды, в "условиях большого сигнала", сигнал имеет достаточно высокую величину для рассмотрения нелинейных эффектов. "Большой сигнал" - противоположность "малого сигнала". В модели "малого сигнала" предполагается, что в рабочей точке ёмкости, усиления, сопротивления и т.д. в схеме остаются постоянными. В модели "большого сигнала" учитывается, что элементы являются нелинейными и уровень сигнала влияет на рабочую точку и параметры схемы. Усилительный каскад, с выхода которого сигнал поступает в нагрузку усилителя, называется оконечным.
Выходной каскад должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшем потреблении мощности от источников питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений.
В любом усилительном каскаде не вся мощность, потребляемая от источника питания, преобразуется в мощность сигнала, отдаваемую в нагрузку. При проектировании оконечного каскада стремятся получить возможно более высокий его к. п. д., так как мощность, рассеиваемая элементами схемы каскада, повышает их температуру, снижая тем самым надежность параметров усилителя в целом.
29. Усилительные каскады, содержащие один или несколько параллельно включённых усилительных элементов, на входы которых подают одно входное напряжение и с выхода которых снимают одно выходное напряжение усиленного сигнала, называют однотактными. В каскаде (1) нагрузка включена непосредственно в коллекторную цепь транзистора. Эта схема обладает хорошей частотной и переходной характеристиками, сравнительно малыми нелинейными искажениями. Основной ее недостаток - через нагрузку протекает постоянный ток, что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению КПД. КПД в этой схеме не может быть больше 25 %.
Мощность, рассеиваемая на коллекторе: Рк = Ро -Рн.
Схема (2) отличается от предыдущей тем, что выходная цепь транзистора в ней связана с нагрузкой через трансформатор. Такая связь улучшает питание коллектора, позволяет подобрать оптимальное сопротивление по переменному току для коллекторной цепи.
При расчете выходной мощности приходится учитывать потери, существующие в трансформаторе. Мощность, отдаваемая транзистором в коллекторную цепь Р2, должна рассчитываться с учетом КПД трансформатора η : P2=Pн/ η.Значения КПД трансформатора обычно лежат в пределах (0,8-0,9), большие значения КПД относятся к каскадам с большей выходной мощностью.
30. Двухтактные каскады образуются из двух обычных, соединенных общим проводом, и представляют собой пару каскадов, симметричных относительно горизонтальной оси (общего провода). Напряжение на входе такого усилителя равно U1 = U1A −U1B, где U1A = −U1B.
Выходной сигнал чаще потребляется одной объединенной нагрузкой . Напряжение выходного сигнала определяется так же, как и напряжение входного: U2 = U2A −U2B , где U2A = −U2B.
Двухтактные каскады обладают заметными достоинствами по сравнению с однотактными:
1) синфазная помеха, попадающая на вход такого каскада, не проходитна его выход; 2) на выходе двухтактного каскада компенсируются четные гармоники, вносимые каждым усилительным элементом; 3) в двухтактном усилителе широко используется режим В и, следовательно, увеличивается КПД. Возможность использования в двухтактном каскаде режима В позволяет снизить требования к мощности рассеивания применяемых активных элементов. При проектировании двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме В, желательно выбирать активные элементы с допустимой мощностью рассеивания в четыре раза меньшей, чем заданная полезная мощность РКмах = 0,25Р2.
31. Метод стабилизации режима по постоянному току используется для обеспечения линейности характеристик усилителя. Стабилизация работы усилителя осуществляется засчёт введения отрицательной обратной связи. Схемы эммитерной стабилизации с общим эммитером, коллектором, базой.
32. Токовое зеркало - генератор тока, управляемый током.
Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация - это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. 33. Биполярной структурой могут обладать такие полупроводниковые электронные приборы как диоды, транзисторы и т. д. Обычные транзисторы ("эмиттер-база-коллектор") называют биполярными, потому что там в работе - переносе тока - участвуют и электроны, и дырки (носители заряда с различной полярностью). Для npn-транзистора, к примеру, базовый ток - дырочный, эмиттерный и коллекторный - электронный. В полевом транзисторе нет инжекции и нет рекомбинации, поэтому для их работы нужны носители только одного знака. Поэтому они и называются униполярными.
34. Источник, или генератор, опорного напряжения (ИОН) - базовый электронный узел, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение. ИОН применяются для задания величины выходного напряжения стабилизированных источников электропитания, шкал цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, режимов работы аналоговых и цифровых интегральных схем и систем, и как эталоны напряжения в составе измерительных приборов. Точность и стабильность этих устройств определяются точностными параметрами используемых в них ИОН. 35. Rб
Параметрический стабилизатор с термокомпенсацией. Количество термокомпенсирующих диодов выбирается в зависимости от типа и количества кремниевых стабилитронов, включенных в обратном направлении. При включении термокомпенсирующих диодов Кст уменьшается примерно в 2 - 4 раза. Дополнительные диоды так же увеличивают выход- ное сопротивление схемы. Повысить коэффициент стабилизации устройств с термокомпенсирующими диодами можно применив двухкаскадную схему.
Rб2
36. Источник опорного напряжения на полевых транзисторах.
Токи стоков транзисторов одинаковы (J1=J2); за счет действия операционного усилителя разность потенциалов истоков транзисторов равна нулю. Поэтому образуется разность потенциалов между затворами транзисторов Uоп, которая может быть усилена и использована для формирования весьма стабильного опорного напряжения.
39.Основные операционные схемы (ОС): инвертирующая, неинвертирующая и дифференциальная. Дифференциальное включение
На рис. 1.2 приведена схема дифференциального включения ОУ.
Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Согласно свойству (пункт а) идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношение между входным напряжением U1 и напряжением Up между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4: Up = U1R4/(R3+R4). Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной Un = Up, то ток I1 определится соотношением: I1 = (U2 - Up)/R1. Согласно свойству (пункт в) идеального ОУ I1 = I2. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно: Uвых = Up-I1R2, при выполнении соотношения R1R4 = R2R3 окончательно получаем: Uвых = (U1 - U2)R2/R1.
Рис. 1.2
Инвертирующее включение
При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 1.3).
Рис. 1.3
Коэффициент усиления данной схемы: KU = Uвых/Uвх = -R2/R1.
Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы. Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю согласно свойству (пункт а) идеального ОУ, то входной ток схемы I1 = U2 / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх=R1. Если напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а разность потенциалов между его входами также равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. мнимым) нулем. Неинвертирующее включение
При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.4).
Рис. 1.4
Коэффициент усиления такой схемы: KU = Uвых/Uвх = 1 + R2/R1. Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. 40.Реализация на основе ОУ интегратора, дифференциатора.
Электрическая схема, в которой форма выходного напряжения является интегралом от входной формы напряжения, называется интегратором или интегрирующим усилителем. Это схема получается в результате использования основных схем инвертирующих усилителей при замене резистора Rос конденсатором Cос, как показано на схеме (рис.5.1).
Рис. 5.1. Интегратор
Дифференциатор - это устройство, выходное напряжение которого пропорционально скорости изменения сигнала на входе. Дифференциатор можно рассматривать как ФВЧ первого порядка, в котором используется участок характеристики с наклоном 20 дБ/декада. Если при разработке интеграторов основные проблемы связаны с дрейфом и низкочастотным участком характеристики, то в дифференциаторах они связаны с шумами, устойчивостью и параметрами АЧХ на высоких частотах. 41. Прецизионный ОУ - усилитель, который по своим свойствам в наибольшей степени приближаются к идеальным УПТ (Усилитель Постоянного Тока). В особый класс выделяются сильноточные ОУ (ОУ, способные создавать на своем выходе повышенные значения токов и соответственно работать на низкоомную нагрузку), микромощные ОУ (ОУ с малым токопотреблением). Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Отклонения свойств реальных ОУ накладывают ряд ограничений на область возможного использования ОУ в схемах обработки аналоговых сигналов, вызывают отличие результатов преобразования от ожидаемых.
ОУ по своему схемному построению являются усилителями постоянного тока (УПТ). На работу таких схем в том числе и ОУ, могут оказывать влияние внутренние паразитные источники постоянного напряжения и тока, вызывающие появление постоянного напряжения на выходе ОУ в условиях отсутствия постоянных сигналов на его входах. Эти источники называют источниками статической погрешности, а сами отклонения постоянного напряжения от номинального значения - напряжением статической погрешности или статической ошибки. Действие источников статической ошибки характеризуют с помощью одного эквивалентного генератора ЭДС , включенного последовательно с неинвертирующим входом
42. Логарифмические перемножители основаны на следующей математической зависимости:
В качестве логарифматоров-антилогарифматоров используют логарифмические свойства диодов и р-н переходов кремниевых транзисторов.
Достоинства: широкий динамический диапазон входных сигналов (60-80 дб.); высокая точность (приведенная погрешность не превышает 0.25%); хорошая температурная стабильность (температурная погрешность не превышает 0.01%/°C в случае интегрального исполнения);
Недостатки: входные сигналы могут быть только одной полярности, т.е. перемножитель работает только в одном квадранте; полоса пропускания пропорциональна величине входных сигналов ( 100кГц при 10В и 1кГц при 0.1 В) Чтобы создать логарифматор, включим в цепь обратной связи диод (или транзистор), как показана на рисунке а (слева).
а) б) Известно, что ВАХ диода носит экспоненциальный характер. Выразим из этой формулы напряжение, отбросив за малостью единицу. Ток I обусловлен сопротивлением и напряжением на инвертирующем входе. Как мы видим, к сожалению, напряжение V зависит от температуры, поэтому необходимо применять меры для температурной стабилизации схемы. Учитывая, что входное напряжение на логифматоре может меняться на много порядков при незначительном изменении выходного напряжения, такие схемы могут применяться не только для собственно логарифмирования, но и для компрессии сигналов
На рисунке б (справа) можно видеть схему реализующую обратную функцию - антилогарифм (экспоненту). Здесь диод включен во входную цепь, а резистор - в выходную. Имея в наличии блоки для логарифмирования и экспоненциального преобразования сигналов, мы можем сделать перемножить аналоговых сигналов.
43 Активные фильтры реализуются на основе усилителей (обычно ОУ) и пассивных RC-фильтров. Среди преимуществ активных фильтров по сравнению с пассивными следует выделить:·отсутствие катушек индуктивности; лучшая избирательность; компенсация затухания полезных сигналов или даже их усиление; пригодность к реализации в виде ИМС.
Активные фильтры имеют и недостатки: потребление энергии от источника питания; ограниченный динамический диапазон; дополнительные нелинейные искажения сигнала.
ОУ в активном фильтре корректирует АЧХ пассивного фильтра за счет обеспечения разных условий для прохождения различных частот спектра сигнала, компенсирует потери на заданных частотах, что приводит к получению крутых спадов выходного напряжения на склонах АЧХ. Для этих целей используются разнообразные частотно-избирательные ОС в ОУ. В активных фильтрах обеспечивается получение АЧХ всех разновидностей фильтров: нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ) и полосовых (ПФ). Первым этапом синтеза всякого фильтра является задание передаточной функции, которая отвечает условиям практической реализуемости и одновременно обеспечивает получение необходимой АЧХ или ФЧХ (но не обеих) фильтра. Этот этап называют аппроксимацией характеристик фильтра.
Применение усилителей в активных фильтрах позволяет увеличить наклон частотной характеристики в полосе подавления, что недостижимо при каскадном соединении пассивных RC-цепочек.
Существует несколько различных типов активных фильтров:
Фильтр высоких частот - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала ниже частоты среза. Коэффициент передачи равен: где τ1=C1R1. Частоту сопряжения асимптот ω1 находят из условия ω1τ1=1, откуда f 1 = 1/2πτ1.
Фильтр низких частот - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше частоты среза. f 2 = 1/2πτ2. где τ2=C2R2. Полосовой фильтр - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше и ниже некоторой полосы. В ПФ присутствуют элементы ФВЧ и ФНЧ.
44 Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, они хороши тем, что не требуют внешних элементов, регулировок и имеют широкий диапазон токов в нагрузках. Возможно регулирование выходного напряжения в зависимости от температуры для применения в системах стабилизации температуры - термостатах. В зависимости от типа температурного датчика он может включаться вместо резисторов R1 и R2 В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними - широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении. В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность. Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность. Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.
45 Источник ,опорного напряжения (ИОН) - базовый электронный узел, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение. ИОН применяются для задания величины выходного напряжения стабилизированных источников электропитания, шкал цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, режимов работы аналоговых и цифровых интегральных схем и систем, и как эталоны напряжения в составе измерительных приборов. Точность и стабильность этих устройств определяются точностными параметрами используемых в них ИОН. Основные параметры : Выходное напряжение ( В ). Можно существенно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его составе операционный усилитель (рис. 1б). Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом влияния источников питания Kв.ип в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000. Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли ома. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение источника опорного напряжения Uвых = Uоп(1 + R2/R1)
ТКН - Температурный коэффициент напряжения ( *10^-6 ). Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры: ТКН = DUст /(Uст DТ) .
Коэффициент стабилизации. Качество стабилизации оценивается коэффициентом Кст = DUвх /DUоп Выходное сопротивление (Ом), Uвых = Uоп(1 + R2/R1)
Долговременная нестабильность (мкВ/1000ч),Ток холостого хода ( мА ), ток нагрузки (мА).
46. Схема интегрального таймера 555.
На контакт 8 подается положительное напряжение питания от +5 до +18 В. Выход 3 микросхемы имеет два состояния с низким и высоким уровнем выходного напряжения. Запуск 2 - Если напряжение на этом выводе держится на уровне, превышающем ЕК на выходе сохраняется "низкий" уровень напряжения. Отрицательный фронт импульса достаточной амплитуды, поданного на вывод 2, вызывает спусковое переключение выхода на "высокий" уровень. Длительность импульса запуска должна быть меньше ожидаемой длительности выходного импульса. Если на зажиме "запуск" поддерживать "низкий" уровень напряжения, то выход остается в состоянии "высокого" уровня. "Блокировка" позволяет блокировать командные сигналы, подаваемые на вход запуска. Разряд - используется для разряда навесного конденсатора в период выдержки, когда уровень выхода низкий. Вывод порогового напряжения - на этом выводе имеется напряжение соответствующее верхнему пределу напряжения на конденсаторе. как только ИМС 555 переключается в состояние с высоким уровнем выхода, напряжение на конденсаторе Uc начинает изменяться, а когда Uc достигнет порогового напряжения, приблизительно равного, выход ИМС 555 переключится в состояние "низкого" уровня. Вход управляющего напряжения - обычно между этим входом (вывод 5) и землей подключается конденсатор фильтра емкостью 0,01 мкФ, он уменьшает влияние источника питания на пороговое значение напряжения.
47. Интегральные таймеры применяются для измерения точных интервалов времени в микросхемах. В ждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия. При воздействии запускающего импульса мульти­вибратор вырабатывает один прямоугольный импульс, после чего возвращается в состояние устойчивого равновесия. Такие мультивибраторы используются для формирования импульса с фиксированной длительностью, не зависящей от длительности запускающего импульса. При работе мультивибратора в режиме автоколебаний вырабатываются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы. Частота генерируемых импульсов определяется параметрами времязадающей цепи, свойствами схемы и режимом ее питания. На частоту автоколебаний оказывает также влияние подключаемая на­грузка. Обычно мультивибратор применяется в качестве генератора импульсов относительно большой длительности, которые затем используются для формирования импульсов необходимой длительности и амплитуды. Таким образом, мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, применяются чаще всего в качестве задающих генераторов.
48. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) - система автоматического регулирования, подстраивающая фазу управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.
ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве управляющего для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.
49. Фазовый детектор - устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно, один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД имеет два входа, управляющих стоящей за ним схемой подстройки частоты, задача которой сделать фазы сигналов одинаковыми. Рис.1
Фильтр нижних частот - один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. Частота среза - это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала. Фильтры нижних частот бывают активные и пассивные. Отличие активных фильтров от пассивных в том, что в активных используется операционный усилитель.
схема простого RС-фильтра нижних частот первого порядка (Рис.2)
схема активного фильтра (Рис.3)
50. Генератор, управляемый напряжением (ГУН) - электронный генератор для управления частотой колебаний при помощи напряжения. Частота колебаний зависит от подаваемого напряжения, причём ГУН может быть запитан от модулированных сигналов, что позволяет осуществить фазовую или частотную модуляцию. ГУНы можно разделить на два типа в зависимости от выходного сигнала: 1) Гармонические осцилляторы; 2)Релаксационные генераторы. Гармонические осцилляторы генерируют сигнал синусоидальной формы. Релаксационные генераторы могут генерировать сигналы пилообразной или треугольной формы.
Терминология используемая в ФАПЧ: фаза, сигнал, фазовый детектор, обратная связь, модуляция, опорный сигнал, ФНЧ, ГУН(генератор управляемый напряжением) и др..
Применение ФАПЧ:
Фазовый детектор - для фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) сигнал ошибки из ФД (значение найденной разности фаз) подается на сглаживающий фильтр (фильтр нижних частот). Сигнал с фильтра подается на управляемый напряжением генератор, частота(фаза) выходного сигнала которого зависит от напряжения на входе. Сигнал с генератора по цепи обратной связи поступает назад в детектор, замыкая контур ФАПЧ.
Умножитель частоты. Умножение частоты системой ФАПЧ обеспечивается при включении делителя частоты ":N" в цепь обратной связи. Частота на выходе УГ(управляемый генератор), являющегося выходом умножителя, равна wвых = w0N, где N коэффициент деления делителя. В синтезаторах частот, на входе системы ФАПЧ дополнительно включают делитель частоты ":R". В результате, w0 = wвх/R, а wвых = wвхN/R, где R коэффициент деления делителя ":R". Совместное применение делителей ":R" и ":N" (с программируемыми коэффициентами деления) обеспечивает синтез частот в широком диапазоне и с высоким разрешением.
51 Простая схема функционального генератора на интегральных операционных усилителях
Генератор содержит триггер на двух операционных усилителях А1 и А2 с ограничителем напряжения на светодиодах (эти приборы применены не потому, что они излучают свет, а вследствие своего повышенного прямого напряжения). Триггер управляет направлением интегрирования в операционном усилителе А3. Скорость линейного изменения напряжения на выходе А3 задается емкостью конденсатора С и величиной резистивности резистора R. Обычно резистором R задается плавное изменение скорости изменения напряжения в 10 - 20 раз, а изменением С - фиксированное изменение скорости.
Если сигнал на выходе интегратора растет, то при достижении верхнего порога триггера он переключается и направление интегрирования меняется - напряжение на его выходе начинает линейно падать, пока не достигнет нижнего порога интегрирования. При этом триггер вновь переключается и направление интегрирования меняется, и т.д.
На выходе триггера формируются прямоугольные импульсы, а на выходе интегратора -треугольные. Для получения сигнала близкого к синусоидальному используется ограничитель треугольного напряжения. В данном случае он выполнен на операционном усилителе А4 с диодным ограничителем (тоже на светодиодах).
Параметры такого функционального генератора (прежде всего максимальная частота и амплитуда сигнала) всецело зависят от применяемых операционных усилителей. Обычные операционные усилители могут использоваться до частот в десятки килогерц и при амплитудах до 10 - 15 В. Однако новейшие сверхширокополосные операционные усилители могут использоваться для построения функциональных генераторов с частотами до десятков мегагерц, но с амплитудой импульсов до 3 - 5 В.
Документ
Категория
Разное
Просмотров
462
Размер файла
3 788 Кб
Теги
шпаргалки, шпоры
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа